ARKTISISSA OLOSUHTEISSA KÄYTETTÄVILLE MATERIAALEILLE JA HITSATUILLE RAKENTEILLE ASETETUT VAATIMUKSET

Transkriptio

1 LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO Teknillinen tiedekunta Konetekniikan koulutusohjelma Tuomas Liukkonen ARKTISISSA OLOSUHTEISSA KÄYTETTÄVILLE MATERIAALEILLE JA HITSATUILLE RAKENTEILLE ASETETUT VAATIMUKSET Työn tarkastajat: Professori Jukka Martikainen DI Mikko Pölkki

2 TIIVISTELMÄ Lappeenrannan teknillinen yliopisto Teknillinen tiedekunta Konetekniikan koulutusohjelma Tuomas Liukkonen Arktisissa olosuhteissa käytettäville materiaaleille ja hitsatuille rakenteille asetetut vaatimukset Diplomityö sivua, 27 kuvaa ja 31 taulukkoa Tarkastajat: Professori Jukka Martikainen DI Mikko Pölkki Hakusanat: arktinen, hitsaus, hitsaustuotanto, laaduntarkastus, DNV, NORSOK, RMRS, sertifiointi Diplomityössä tarkastellaan kohdeyrityksen hitsatuille teräsrakenteille asetettuja vaatimuksia Norjan ja Venäjän arktisilla alueilla. Teknisten vaatimusten lisäksi tutkitaan terästen kylmäkäyttäytymistä ja hitsaustuotannolle kohdistettuja vaatimuksia. Tutkimuksen lopussa käsitellään Venäjän ja Norjan markkinoiden erityispiirteitä ja keinoja markkinoille pääsemiseksi. Tutkimuksen perusteella havaitaan, että kohdeyritys voi suunnitella ja valmistaa sekä Norjan että Venäjän vaatimusten mukaisia rakenteita ilman suuria muutoksia rakenteisiin tai hitsaustuotantoon. Materiaalien ja valmistuksen laadun sekä niiden valvonnan merkitys korostuu arktisissa hankkeissa. Yrityksellä on käytössään standardit EN 1090, ISO 9001, ISO 3834 ja ISO 14122, jotka edesauttavat yrityksen kansainvälistymistä. Hitsattujen rakenteiden haurasmurtumariski kasvaa kylmissä olosuhteissa. Haurasmurtuman ydintymistä edesauttavat tekijät täytyy tunnistaa ja niitä on vältettävä suunnittelussa ja valmistuksessa. Lujempien ja sitkeämpien terästen käyttäminen kylmissä olosuhteissa on perusteltua, mutta ne asettavat omat haasteensa hitsaukselle.

3 ABSTRACT Lappeenranta University of Technology Faculty of Technology Department of Mechanical Engineering Tuomas Liukkonen Requirements for metals and welded structures in Arctic conditions Master s Thesis pages, 27 figures, and 31 tables Examiners: Professor Jukka Martikainen M.Sc. Mikko Pölkki Keywords: Arctic, welding, welding production, quality control, DNV, NORSOK, RMRS, certificate This master s thesis studies requirements for target company s welded structures in the Arctic regions of Norway and Russia. This master s thesis also studies behavior of metals in arctic conditions. Additionally requirements for welding production are examined. Special features of markets of both countries are studied at the end of the work. Based on this study it can be stated that the company can design and produce structures for arctic markets with minor changes to structures and production. Quality of steels and production have substantial role in Arctic investments. Thus supervision and traceability are also a major part of the Arctic projects. The company has certificates EN 1090, ISO 9001, ISO 3834 and ISO which assist company s internationalization and establishing. Susceptibility to brittle fracture increases in cold conditions. The factors causing brittle fracture should be recognized and need to be avoided in design and production. Using of higher strength and more toughness steels in cold conditions is possible but it makes welding more challenging.

4 ALKUSANAT Tämä diplomityö on tehty Premekon Oy:lle Lappeenrannan teknillisellä yliopistolla osana Arktika-projektia. Haluan kiittää professori Jukka Martikaista diplomityöni ohjaamisesta, tarkastamisesta ja monipuolisista neuvoista työni aikana. Kiitos kuuluu myös työn toiselle tarkastajalle Mikko Pölkille. Lisäksi iso kiitos kuuluu työni ohjaajalle Ville Immoselle, joka omien työkiireidensä ohessa antoi kehittävää palautetta ja vastaili kysymyksiini. Kiitokset haluan esittää myös projektipäällikkö Markku Piriselle, joka osaltaan mahdollisti tämän työn tekemisen. Todella iso kiitos kuluu avopuolisolleni Sailalle, joka on tukenut sekä kannustanut minua niin opinnoissa kuin tässä diplomityössä. Suuret kiitokset myös vanhemmilleni ja sisaruksilleni, joiden korvaamaton tuki on auttanut läpi koko opiskeluajan. Lopuksi haluan kiittää opiskelutovereita, jotka tekivät opiskeluajastani ikimuistoisen kokemuksen. Tuomas Liukkonen Lappeenrannassa

5 5 SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ... 1 ABSTRACT... 2 ALKUSANAT... 3 SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO... 9 VIITESTANDARDIT JOHDANTO Työn tausta Tavoite ja rajaus Hanke- ja yritysesittely Arktika-projekti Premekon Oy ARKTINEN ALUE Arktisen alueen määrittely Luonnonvarat Koillisväylä Arktiset olosuhteet teräsrakentamisen kannalta TUTKITTAVAT RAKENTEET Hoitotasot Kaiteet Portaat ja porrastornit Tikkaat TERÄSTEN KÄYTTÄYTYMINEN KYLMISSÄ OLOSUHTEISSA Terästen transitiokäyttäytyminen Haurasmurtuma... 32

6 6 4.3 Sitkeä murtuma Materiaalien testausmenetelmät Charpyn V- & U-kokeet CTOD & CTOA Jännitysintensiteettikerroin K Pellinin pudotusvasarakoe DWT-koe J-integraali STANDARDIEN ASETTAMAT VAATIMUKSET JA MÄÄRÄYKSET MATERIAALEILLE JA HITSAUSTUOTANNOLLE NORSOK Suunnitteluluokat Portaiden suunnitteluperusteet Kaiteiden suunnitteluperusteet Hitsausohjeen hyväksyttäminen Menetelmäkoekappaleiden testaus Hitsaajat, hitsausoperaattorit ja hitsauksen koordinointi Laaduntarkastus ja jäljitettävyys Tuotantohitsaus Liitosten NDT-tarkastus Laatuluokkien mukaiset teräkset Ruostumaton teräs ja nikkeliseokset Alumiini Pulttimateriaalit Korroosiosuojaus Det Norske Veritas Terästen luokittelu ja merkintä... 57

7 Normaalilujat teräkset Lujat teräkset Erikoislujat teräkset Materiaalin valinta ja rakenteiden luokittelu Suunnitteluperusteet Hitsien laaduntarkastus Hitsausohjeen hyväksyminen Aineenkoetus menetelmäkoekappaleille Hitsaajien pätevyys Pulttiliitokset Alumiini Ruostumaton teräs Korroosiosuojaus Russian Maritime Register of Shipping Käytettävät rakenneteräkset Suunnitteluohjeet ja vaatimukset Hitsaustuotanto Hitsausohjeen hyväksyttäminen Hitsien laaduntarkastus Ruostumaton teräs Alumiini Korroosiosuojaus TUOTTEIDEN VIENTI JA SERTIFIOINTI VENÄJÄLLÄ Tulliliitto Sertifioinnin polku Tullinimikkeet Tulliliiton sertifikaatit... 85

8 8 6.5 Venäjän sertifikaatit GOST R-sertifikaatti GOST R-vastaavuusvakuutus Vapaaehtoinen GOST R-sertifikaatti TM-vastaavuussertifikaatti TM-vastaavuusvakuutus Tullikoodin mukaiset tuontitiedot ja sertifiointitarve CASE: RITILÄTUOTTEIDEN SOVELTUVUUS ARKTISEEN RAKENTAMISEEN Käyttöympäristön erityispiirteet ja vaikutukset ritilätuotteisiin Ritilät yleisesti Alihankkijat Materiaalit ja niiden soveltuvuus kylmään ilmastoon Suunnitteluseikkoja ja -vaatimuksia Arktisiin olosuhteisiin ja kohdeyrityksen tuotteisiin soveltuvat ritilät MARKKINAPOTENTIAALI JA LIIKETOIMINTAYMPÄRISTÖ ARKTISELLA ALUEELLA Norjan markkina-alueet Venäjän markkina-alueet Markkinapotentiaali ja liiketoimintaympäristön erityispiirteet Norjassa Markkinapotentiaali ja liiketoimintaympäristön erityispiirteet Venäjällä JOHTOPÄÄTÖKSET YHTEENVETO LÄHTEET

9 9 SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO C Celsius-aste 3D Kolmiulotteinen a Vuosi A 5 Murtovenymä, mittapituus 5 x halkaisija, [%] Al Alumiini C Hiili Cr Kromi d Päivä E Kimmokerroin J Joule J pl K K IC KV KV 8 l m mm Mn J-integraalin plastinen komponentti Jännitysintensiteettikerroin Kriitillinen jännitysintensiteetti Sitoutunut energia, koesauvan loven geometria V Sitoutunut energia, koesauvan loven geometria V, 8 mm heiluri Hitsin pituus, jolla esiintyy virheitä Halkeaman funktio Millimetri Mangaani MPa Megapascal, [N/mm 2 ] N Newton, [kg m/s 2 ] Ni Nikkeli P Fosfori P3 Esikäsittelyaste, erittäin perusteellinen esikäsittely P cm s S Sa2½ T t 8/5 T A Säröparametri Koko hitsin pituus Rikki Puhdistusaste Lämpötila Jäähtymisaika Ympäristön lämpötila

10 10 T d Ti T t W δ Suunnittelulämpötila Titaani Transitiolämpötila Parannettu hitsattavuus Särön kärjen avauma μm Mikrometri [10-6 m] σ y τ k υ Tehollinen myötölujuus Leikkausjännityksen kriittinen arvo Poissonin vakio AcC ACCP AISI ANSI AR ASNT ASTM AVL CAFF CE CEV CN CNC CTF CTOA CTOD DC DNV DT DWT DWTT Accelerated cooling, nopeutetusti jäähdytetty ASNT Central Certification Program, amerikkalainen sertifiointiohjelma NDT-tarkastajille American Iron and Steel Institute American National Standards Institute AS-rolled, valssattu The American Society for Nondestructive Testing American Society for Testing and Materials Approved Vendor List, hyväksyttyjen toimittajien lista Conservation of Arctic Flora and Fauna Conformité Européenne, merkinnällä valmistaja vakuututtaa tuotteen olevan EU-direktiivien mukainen Carbon equivalent value, hiiliekvivalentti Combined Nomenclature, Euroopan yhteisön yhdistetty nimikkeistö Computerized Numerical Control, numeerinen ohjaus Coating Technical File, pinnoitusseloste Crack tip opening angle, särön kärjen avautumiskulma Crack tip opening displacement, särön kärjen avautuma Design Class, suunnitteluluokka Det Norske Veritas Destructive Testing, rikkova aineenkoetus Drop Weight Test Drop Weight Tear Test

11 11 EAKR Euroopan aluekehitysrahasto EHS Extra high strength steel, erikoisluja teräs EN Eurooppalainen standardi ES Etiopialainen standardi ETA Euroopan talousalue FROSIO Norjalainen sertifiointijärjestelmä pintakäsittelylle GOST Venäjän kansallinen standardi HS Harmonized System, harmonoidun järjestelmän nimikkeistö HS High strength steel, luja teräs HSE Health, Safety & Environment, terveys, turvallisuus & ympäristö IACS International Association of Classification Societies ICT Information and communication technology, tieto- ja viestintäteknologia IIF Institute of International Finance IIW International Institute of Welding IMO International Maritime Organization, Kansainvälinen merenkulkuorganisaatio ISO International Organization for Standardization, kansainvälinen standardi IWE International Welding Engineer, kansainvälinen hitsausinsinööri IWI International Welding Inspector, kansainvälinen hitsaustarkastaja IWT International Welding Technologist, kansainvälinen hitsausteknikko IVY Itsenäisten valtioiden yhteisö LNG Liquefied Natural Gas, nesteytetty maakaasu MAG Metal Active gas Welding, metallikaasukaarihitsaus aktiivisella suojakaasulla MEK Matkailun edistämiskeskus N Normalizing, normalisoitu NACE National Association of Corrosion Engineers NDT Nil-Ductile-Transition, nollasitkeys NDT Nondestructive testing, rikkomaton aineenkoetus NORSOK Norjan öljyteollisuuden kehittämä standardisarja NR Normalizing rollig, normalisointivalssattu NS Normal steel, normaaliluja teräs OKP Tulliliiton ja Venäjän sisäinen tuoteluokitusjärjestelmä Pkk Pintakeskinen kuutiollinen hila

12 12 PRE PT PWHT pwps QT RMRS RS RT SFS SMYS SVKK Tkk TM TM TN VED UNS UT WPQR WPS VT Pitting Resistance Equivalent, Pistekorroosiokestävyyden ekvivalentti Penetrant Testing, tunkeumanestetarkastus Jälkilämpökäsittely preliminary Welding Procedure Specification, alustava hitsausohje Quenching and Tempering, karkaistu ja nuorrutettu Russian Maritime Register of Shipping Russian Maritime Register of Shipping Radiographic Testing, radiografinen tarkastus Standardi on vahvistettu Suomessa, Suomen Standardisoimisliitto SFS ry Specified Minimum Yield Stress, vähimmäismyötölujuus Suomalais-Venäläinen kauppakamari Tilakeskinen kuutiollinen hila Tekniset Määräykset Thermo-mechanical rolling, kuumavalssattu Tulliliiton tavaranimikkeistö Unified Numbering System Ultrasonic Testing, ultraäänitarkatus Welding Procedure Qualification Record, menetelmäkoepöytäkirja Welding Procedure Specification, hitsausohje Visual Testing, silmämääräinen tarkastus

13 13 VIITESTANDARDIT ASTM E e1: 2006 Standard test method for determination of resistance to stable crack extension under lowconstraint conditions ASTM E562: 2011 Standard test method for determining volume fraction by systematic manual point count EN 473: 2008 Rikkomaton aineenkoetus. NDT-henkilöiden pätevöinti ja sertifiointi. Yleisperiaatteet. (kumottu) IACS No. 47 Rev. 7: 2013 Shipbuilding and repair quality standard ISO 19906: 2010 Petroleum and natural gas industries-arctic offshore structures NORSOK M-601: 2008 Welding and inspection of piping NS 477: 2012 Welding inspectors- Tasks, education and certification SFS-EN : 2009 Hitsaus. Metallisten materiaalin hitsaussuositukset. Osa 1:Yleisohjeet kaarihitsauksella SFS-EN : 2001 Hitsaus. Metallisten materiaalien hitsaussuositukset. Osa 3: Ruostumattomien terästen kaarihitsaus SFS-EN 10204: 2004 Metallituotteiden ainestodistukset

14 14 SFS-EN 1090: 2012 Teräs- ja alumiinirakenteiden toteutus SFS-EN 14122: 2010 Koneturvallisuus SFS-EN 287-1: 2011 Hitsaajan pätevyyskoe. Sulahitsaus. Osa 1: Teräkset SFS-EN ISO 10042: 2006 Hitsaus. Alumiini ja alumiiniseosten kaarihitsaus. Hitsiluokat SFS-EN ISO : 1998 Maalit ja lakat. Teräsrakenteiden korroosionestosuojamaaliyhdistelmillä. Osa 3: Rakenteet suunnitteluun liittyviä näkökohtia SFS-EN ISO 14731: 2006 Hitsauksen koordinointi. Tehtävät ja vastuut SFS-EN ISO : 2004 Hitsausohjeet ja niiden hyväksyntä metalleille. Hitsausohjeet. Osa 1: Kaarihitsaus SFS-EN ISO : 2012 Hitsausohjeet ja niiden hyväksyntä metalleille. Hyväksyntä menetelmäkokeella SFS-EN ISO 17662: 2005 Hitsaus. Hitsauksessa ja siihen liittyvissä oheistoiminnoissa käytettävien laitteiden kalibrointi, todentaminen ja kelpuutus SFS-EN ISO : 2006 Metallien sulahitsauksen laatuvaatimukset. Kattavat laatuvaatimukset SFS-EN ISO 5817: 2014 Hitsaus. Teräksen, nikkelin, titaanin ja niiden seosten sulahitsaus. Hitsiluokat

15 15 SFS-EN ISO : 2006 Metallien Vickersin kovuuskoe. Osa 1: Menetelmä SFS-EN ISO 898-1: 2013 Kiinittimien lujuusominaisuudet. Seostamattomat ja seosteräkset. Osa: 1 Ruuvien ja vaarnaruuvien lujuusluokat. Vakiokierre ja taajakierre SFS-EN ISO 9001: 2008 Laadunhallintajärjestelmät. Vaatimukset SFS-EN ISO : 2013 Hitsaajan pätevyyskoe. Sulahitsaus. Osa 1: Teräkset SFS-EN ISO 9712: 2012 Rikkomaton aineenkoetus. NDT-henkilöiden pätevöinti ja sertifiointi. Yleisperiaatteet. SNT-TC-1A: 2011 Personnel Qualification and Certification in Nondestructive Testing (ASNT)

16 16 1 JOHDANTO Ilmaston lämpenemisestä johtuva arktisen jääpeitteen vetäytyminen avaa mahdollisuuden hyödyntää arktisten alueiden luonnonvaroja. Lisäksi pohjoisten merireittien avautuminen ympärivuotiseen käyttöön voi tulevaisuudessa muuttaa koko maailman logistiikkavirtaa. Useat valtiot kuten Norja ja Venäjä panostavat vahvasti pohjoiseen. Hankkeiden pääpaino on offshore-teollisuudessa sekä infrastruktuurin kehittämisessä. Jotta arktisten alueiden luonnonvaroja voidaan turvallisesti hyödyntää, tulee erityistä huomiota kiinnittää rakenteiden laatuun, turvallisuuteen ja ympäristöystävällisyyteen. 1.1 Työn tausta Tämä diplomityö on tehty osana Euroopan aluekehitysrahaston (EAKR) ja yritysten rahoittamaa Arktika-projektia, jonka tavoitteena on mahdollistaa eteläkarjalaisten yritysten pääsy arktisen alueen voimakkaasti kasvavan teollisuuden ja infrastruktuurin rakentamisen pariin. Diplomityössä tutkitaan Premekon Oy:n mahdollisuuksia verkostoitua, valmistaa ja myydä tuotteitaan arktiselle alueelle. Verkostoituminen mahdollistaa Etelä-Karjalan alueen konepajojen liittymisen niihin globaaleihin verkostoihin, jotka operoivat arktisilla alueilla. Jotta yritys voi markkinoida ja myydä tuotteitaan, on sen varmistuttava tuotteidensa turvallisuudesta vaativissakin käyttöolosuhteissa. Arktinen ilmasto asettaa teräsrakenteet erityisen koville ja rakenteiden rikkoutuminen voi johtaa hyvin vakaviin seuraamuksiin niin ihmisille kuin luonnolle. Rakenteille ja materiaaleille on asetettu vaatimuksia, joissa on maakohtaisia eroja. Eri maiden standardien lisäksi luokituslaitokset asettavat vaatimuksia etenkin offshoreteollisuuden tuotteille. Pelkkä vaatimusten ja asetusten tunteminen ei kuitenkaan riitä takaamaan rakenteiden kestävyyttä. On ymmärrettävä myös materiaalin käyttäytyminen niin hitsauksessa kuin kovassa, jopa -60 C pakkasessa. 1.2 Tavoite ja rajaus Työn tavoitteena on selvittää hoitotasojen, kaiteiden, tikkaiden, portaiden ja porrastornien valmistusmateriaaleille asetetut vaatimukset arktisella alueella. Lisäksi tutkitaan koko

17 17 hitsaustuotannolle kohdistettuja velvoitteita. Kohdeyrityksen valmistamat hitsatut rakenteet on suunniteltu niin, että ne voidaan asentaa ilman hitsausta. Näin ollen hitsaus kylmissä olosuhteissa rajataan työn ulkopuolelle. Tarkasteltavia materiaaleja ovat hiiliteräs, ruostumaton teräs ja alumiini. Rakenteet arktisella alueella ovat usein offshore-rakenteita, joiden suunnittelu ja valmistus kuuluvat luokituslaitosten valvonnan alaisuuteen. Tästä syystä tutkimus kohdistuu luokituslaitosten asettamiin vaatimuksiin. Luokituslaitokset, joiden ohjeita ja vaatimuksia tutkitaan, ovat norjalainen Det Norske Veritas (DNV) ja venäläinen Russian Maritime Register of Shipping (RMRS tai RS). Lisäksi tarkasteluun otetaan Norjan öljyteollisuuden kehittämä standardisarja NORSOK. Standardia ISO Arctic Offshore structures käytetään soveltuvilta osin. Työn yhtenä osana tarkastellaan kohdeyrityksen tuotteille asetettuja sertifiointivaatimuksia ja sertifiointiprosessia yleisesti Venäjän kauppaan liittyen. Case-esimerkkinä tutkitaan ritilätuotteiden soveltuvuutta kylmiin olosuhteisiin. Case-tuotteet ovat alihankkijalta ostettavia teräs- ja alumiiniritilöitä, joita käytetään esimerkiksi porrasaskelmina ja kulkutasoina. Lopuksi tarkastellaan arktisen alueen markkinapotentiaalia ja liiketoimintaympäristön erityispiirteitä. Osiossa esitellään tärkeimmät markkina-alueet arktisessa Norjassa ja Venäjällä. 1.3 Hanke- ja yritysesittely Tämä diplomityö kuuluu olennaisesti Lappeenrannan teknillisen yliopiston toteuttamaan Arktika-projektiin, johon osallistuu myös eteläkarjalainen yritys Premekon Oy Arktika-projekti Arktika-projekti on Euroopan aluekehitysrahaston rahoittama projekti, jonka toteuttajana toimii Lappeenrannan teknillinen yliopisto yhdessä neljän eteläkarjalaisen yrityksen kanssa. Yritykset ovat Premekon Oy, Karjalan Konepaja Oy, Astex Gear Oy ja Rämö Oy. Projektin toteutusaika on Arktikan keskeisenä tavoitteena on mahdollistaa Etelä-Karjalan alueen kone- ja metallialan yrityksille pääsy arktisen alueen voimakkaasti kasvavan teollisuuden ja sen ympärille rakentuvan infrastruktuurin rakentamisen pariin. (Arktika, 2013.)

18 18 Arktisella alueella tapahtuva öljyn- ja kaasunporaus sekä laivaliikenne pohjoisilla merireiteillä tulevat lisääntymään ilmastonlämpenemisen ja teknologian kehityksen myötä. Projekti Arktika pyrkii edistämään yritysten verkostoitumista niihin globaaleihin verkostoihin, jotka jo toimivat arktisella alueella. Tutkimuksen avulla vahvistetaan yritysten osaamista esimerkiksi lujien terästen käytettävyyden, rakenteille asetettujen vaatimusten ja hitsauksen osalta kylmissä olosuhteissa. Laajemmassa kuvassa tutkimuksen kohdistaminen arktiseen rakentamiseen edesauttaa suomalaisen konepajateollisuuden profiloitumista todelliseksi arktisen rakentamisen osaajaksi. (Arktika, 2013.) Premekon Oy Premekon Oy on Joutsenossa sijaitseva kokonaisvaltaisia hoitotasojen ja porrastornien ratkaisuja tarjoava konepaja. Premekonin erityisalaa ovat hoitotasojen ja porrastornien valmistus mittatilaustyönä aina 3D-suunnittelusta asennukseen. Hoitotasojen ja porrastornien lisäksi yritys valmistaa kaiteita, tikkaita, portaita ja muita teräsrakenteita. Sekä suunnittelu että valmistus tapahtuvat Joutsenossa. (Tuotteet ja Palvelut, 2014.) Premekon on toimittanut tuotteitaan Eurooppaan, Aasiaan sekä Pohjois- ja Etelä- Amerikkaan. Yrityksessä on käytössä laatujärjestelmä ja toiminta auditoidaan vuosittain ISO 9001 ja SFS EN 3834 mukaan. Lisäksi yrityksellä on EN 1090 (CE-sertifikaatti) ja ISO koneturvallisuusstandardin mukainen sertifikaatti. (Tuotteet ja Palvelut, 2014.)

19 19 2 ARKTINEN ALUE Arktikan kaasu- ja öljyvarojen hyödyntämisessä on valtavat mahdollisuudet, mutta myös suuret riskit. Arktinen ilmasto on teräsrakentamiselle ja öljyn- sekä kaasunporaukselle hankala. Teollisuuden on osoitettava, että alueella voidaan operoida turvallisesti ja välttää onnettomuudet sekä öljykatastrofit. 2.1 Arktisen alueen määrittely Arktisen alueen määrittely tehdään yleensä luonnontieteellisen ilmiön tai teknisen toiminnan näkökulmasta. Näin ollen sillä ei ole täysin yksiselitteistä määritelmää. Arktinen alue voidaan määritellä esimerkiksi seuraavin perusteiden mukaan (Lausala & Jumppanen, 2002, s. 9): leveysaste: napapiiri kasvillisuus: puiden esiintymisraja ikiroudan esiintymisraja merijään ulottuma lämpötila: vuoden tai kuukauden keskilämpötilan isotermi pitkäaikaisen roudan ja lumen esiintymisalue kasvien ja eläimien luonnonsuojelunäkökohtiin perustuen (Conservation of Arctic Flora and Fauna eli CAFF-raja) Kuvassa 1 esitetään edellä mainittujen luokitteluperusteiden mukaisia arktisen alueen rajoja.

20 20 Kuva 1. Arktisen alueen rajat (suomennettu Lausala & Jumppanen, 2002, s. 43). 2.2 Luonnonvarat Ilmastonlämpenemisestä johtuva jääpeitteen sulaminen tarjoaa mahdollisuuden hyödyntää alueen luonnonvaroja sekä avata pohjoisia merireittejä ympärivuotiseen käyttöön. Kuvassa 2 esitetään Arktisen jääpeitteen kehittyminen viime vuosina. Kuvasta nähdään, että jääpeite on vähentynyt noin 3,2 % vuosivauhdilla. Arvioiden mukaan Arktisella alueella on noin 13 % maailman löytämättömistä öljyvaroista ja 30 % kaasuvaroista (Gautier et al., 2009, s. 1175). Vuonna 2013 Länsi-Siperian ja Alaskan Prudhoe Bayn alueilla tuotettiin kymmenes maailman öljystä ja yli neljännes kaasusta. Lukujen kasvua on helppo ennustaa ottaen huomioon alueen valtavat luonnonvarat, pidentyvän porauskauden sekä tutkimusteknologian kehityksen (Borgerson, 2013). Hiilivetyvarojen lisäksi Arktikalla sijaitsee runsaasti mineraali- ja metsävarantoja (Lausala & Jumppanen, 2002, s. 3).

21 21 Kuva 2. Arktisen jääpeitteen laajuus (suomennettu National Snow & Ice Data Center, 2014). Vuonna 2012 julkaistun tutkimuksen mukaan arktisilla merialueilla arvioidaan olevan noin 66 miljardia barrelia öljyä ja biljoonaa (10 12 ) kuutiojalkaa kaasua. Suurimmat kaasuresurssit sijaitsevat Venäjällä, Etelä-Karanmerellä sekä etelä- ja pohjoisosissa Barentsinmerta. Suurimmat öljyresurssit löytyvät puolestaan Yhdysvalloista, Alaskan alueelta (Brownfield et al., 2012). Vuoteen 2035 mennessä öljyn tarpeen arvioidaan kasvavan viidenneksen ja kaasun tarpeen jopa kaksinkertaistuvan. Ennusteiden mukaan yli puolet vuoden 2035 öljyn ja kaasuntuotannosta suuntautuu alueille, joita ei ole vielä löydetty tai rakennettu. (Birol, 2010.) Käytännössä kaikki uusille alueilla suuntautuvat luonnonvarojen hyödyntämishankkeet tarvitsevat ympärilleen toimivan infrastruktuurin. Toimivan infrastruktuurin puute näkyy etenkin Venäjän pohjoisosissa, jossa tärkeimmät kehityshankkeet liittyvät kuljetuksiin (rautatiet, tiet ja meritiet, putkilinjat) ja ICT-palveluiden (informaatio- ja kommunikaatioteknologia) kehittämiseen. Myös energia- ja vesihuolto on puutteellista tai puuttuu kokonaan useista arktisista yhdyskunnista. (Lausala & Jumppanen, 2002, s. 3.)

22 Koillisväylä Merijään vetäytyminen mahdollistaa Koillisväylän avautumisen, mikä lyhentäisi rahdin kuljetusmatkaa Euroopan ja Aasian välillä jopa kolmanneksella. Tämä voi tulevaisuudessa muuttaa koko maailman logistiikkavirtaa. Kuvassa 3 on esitetty Koillis- ja Luoteisväylät. Arvioiden mukaan ympärivuotinen meriliikenne Koillis- ja Luoteisväylillä on mahdollista vasta kymmenien vuosien kuluttua. Tästä huolimatta Barentsin alueen taloudellinen ja poliittinen merkitys on lisääntynyt merkittävästi. Itämeri säilyttää kuitenkin edelleen asemansa Suomen meriliikenteen pääväylänä tulevina vuosina. Pohjoisten merireittien avautuminen ja lisääntyvä liikennöinti edellyttävät yhdenmukaisia merenkulun sääntöjä ja turvallisuusmääräyksien noudattamista kaikilta käyttäjiltä. Alueen liiketoimintamahdollisuuksia on parannettava kehittämällä liikenne-, viestintä- ja logistiikkaverkostoja. (Valtioneuvoston kanslia, 2010, s. 5, 14.) Kuva 3. Koillis- ja Luoteisväylät (Mikkola, 2010). Koillisväylä on pituudeltaan noin 6500 kilometriä. Nykyinen purjehduskausi Koillisväylällä on 49 ± 18 vuorokautta. Ilmaston lämpenemisen seurauksena purjehduskauden arvioidaan olevan vuosisadan lopulla 134 ± 38 vuorokautta. Koillisväylän laivaliikenteen kehitys viime vuosina näkyy taulukosta 1. Ympärivuotinen liikennöinti väylällä olisi nykyisellään erittäin kallista korkeiden jäänmurtokustannusten vuoksi. Liikennöintiä hankaloittavat merenpohjan paikoittainen mataluus, jäävuoret sekä jäälautat. Lyhin reitti ei välttämättä ole kuitenkaan taloudellisin vaihtoehto rahdille, koska Venäjä perii Koillisväylän käytöstä maksuja väylä- ja murtamispalveluista. Lisäksi sopivan kaluston hankkiminen ja merenkulun turvallisuuden takaaminen vaikuttavat

23 23 reittivalintoihin. Venäjän harjoittama politiikka koskien Koillisväylää vaikuttaa ratkaisevasti reitin hyödyntämismahdollisuuksiin. (Valtioneuvoston kanslia, 2010, s. 15.) Taulukko 1. Koillisväylän laivaliikenteen kehitys (Balmasov, 2010, 2011, 2012 & 2013). 2.4 Arktiset olosuhteet teräsrakentamisen kannalta Arktisille alueille on ominaista erittäin kylmä ilmasto ja vaikeat geotekniset olosuhteet. Lisäksi infrastruktuurin puute sekä pitkät välimatkat aiheuttavat ongelmia rakentamiseen. Rakennusmateriaaleille suurin haaste on kestää kovia, jopa -60 C:een pakkasia. Rakenneterästen iskusitkeys alenee matalissa lämpötiloissa ja teräksen murtumiskäyttäytyminen muuttuu matalissa lämpötiloissa sitkeästä hauraaksi. Suurin haaste alueen hitsatuille rakenteille onkin taata riittävä sitkeys hitsin muutosvyöhykkeellä. (Horn et al., 2012, s. 291; Hauge, 2012, s. 278.) Tapauskohtaisesti offshore rakentamisessa on otettava huomioon monia tekijöitä. Keskeisiä huomioon otettavia seikkoja ovat esimerkiksi ilman lämpötila ja sen vaihtelut, tuuli, päivän pituus, pimeys, lumi, näkyvyys, polaarimatalat (arktiset pyörremyrskyt), aallot, jään ja jäävuorten liikkeet sekä alueen seisminen aktiivisuus. Koneiden, laitteiden ja kulkureittien suojaaminen tuulen mukana merenpinnasta irtoavilta vesipisaroilta on tärkeää, koska pisarat jäätyvät laivojen ja lauttojen kansirakenteisiin heikentäen niiden toimintaa ja turvallisuutta. (ISO 19906, 2010, s , 313.) Seuraavaksi esitellään kahden liiketoiminnan kannalta tärkeän arktisen alueen ympäristöolosuhteita. Taulukkoon 2 on koottu tietoa Barentsin- ja Laptevinmerellä vallitsevista ympäristöolosuhteista. Barentsinmeri on jaettu taulukossa kolmeen osaan, jotka ovat länsi-, koillis- ja kaakkoisosa. Kaakkoisosaan sisältyy Petšoranmeren alue. Aluejaottelu sekä merien sijainnit on esitetty kuvassa 4.

24 24 Taulukko 2. Barentsin- ja Laptevinmeren ympäristöolosuhteet (ISO 19906, 2010, s , ). Kuva 4. Barentsinmeren ja Laptevinmeren sijainti sekä Barentsinmeren aluejaottelu (Muokattu Free World Maps, 2011; ISO 19906, 2010, s. 404). Vertailutaulukon perusteella huomataan, että jo merialueiden sisällä ympäristöolosuhteet voivat muuttua merkittävästi. Eri arktisten merien välillä vaihtelut ovat vielä suurempia. Tämän takia on tärkeää selvittää tuotteen käyttökohde ja vallitsevat olosuhteet hyvin tarkkaan. Matalimpia vuotuisia lämpötiloja Norjan ja Venäjän merialueilla on mitattu Laptevinmerellä, jossa lämpötila laskee -52 C:seen. Karanmereltä ja Itä-Siperian mereltä mitatut -51 C ja -48 C ovat myös lähellä Laptevinmeren mitattuja ilmanlämpötiloja (ISO 19906, 2010, s. 412, 427). Laptevinmeren rannikolla voi talven ja kesän välinen lämpötilaero kasvaa 85 C:seen. Tällaisessa käyttöympäristössä on tärkeää varmistua siitä, etteivät rakenteet murru hauraasti. Näin ollen iskusitkeys on tärkeimpiä kriteerejä

25 25 materiaalinvalinnassa. Teräsrakenteiden turvallisuuden ja kestävyyden varmistamiseksi on materiaalin sitkeys pystyttävä takaamaan ulkoilmalle altistuvissa rakenteissa -40 C:ssa tai sitä matalammissa lämpötiloissa.

26 26 3 TUTKITTAVAT RAKENTEET Rakenteiden suunnittelu tehdään tietokoneella 3D-ympäristössä. Suunnittelussa voidaan ottaa laajasti huomioon asiakkaan erityistarpeet materiaalien, pintakäsittelyn ja dimensioiden suhteen. Suunnittelun ja valmistuksen yhdistäminen on selvä kilpailuvaltti ja edesauttaa yrityksen sopeutumista arktisen alueen vaatimuksiin. Premekonilla on ISO sertifikaatti, joka luo raamit koneturvallisuudelle kiinteiden kulkuteiden osalta. Lisäksi yrityksellä on EN 1090 sertifikaatti sekä ISO 9001 mukainen laadunhallintajärjestelmä, jonka apuvälineenä hyödynnetään standardia ISO Hitsaustuotannon osalta yrityksellä ei ole tällä hetkellä käytössään robotisointi- tai mekanisointilaitteita, vaan kaikki hitsaus suoritetaan käsin. 3.1 Hoitotasot Hoitotasot voidaan valmistaa rakenneteräksestä, ruostumattomasta teräksestä tai alumiinista tilaajan vaatimuksen mukaan. Kuvan 5 hoitotaso koostuu tasokehikosta ja tasokehikon sisäpuolelle asennettavasta kulkutasosta. Tasokehikko valmistetaan kulmaraudasta, jossa kulmarauta toimii jalkalistana sekä kantavana rakenteena. Varsinaiset kuormaakantavat primäärikannakkeet suunnitellaan tapauskohtaisesti. Kulkupintaprofiilina voidaan käyttää ritilää, kyynellevyä tai reikälevyä. Kaiteet kiinnitetään pultein ja mutterein tasokehikkoon. Hoitotasoihin valmistetaan tarpeen mukaan tikas-, porras- ja kulkuaukkoja. Tasot ovat hitsattuja kokonaisuuksia, jotka asennuksen yhteydessä liitetään pulttiliitoksin. Hoitotasojen osavalmistus tehdään putki- ja levylasereilla, jotka takaavat hyvän valmistustarkkuuden. Rakenneteräksiset kulmaraudat ovat kuumavalssattuja ja ruostumattomasta teräksestä valmistettavat kulmaraudat särmätään levystä. Alumiiniset kulmaprofiilit tehdään suulakepuristamalla. Kokoonpanohitsauksen jälkeen materiaalista riippuen hoitotasot anodisoidaan, peitataan, hiekkapuhalletaan ja maalataan.

27 27 Kuva 5. 3D-malli hoitotasosta. 3.2 Kaiteet Kaidemateriaaleina ovat rakenne- ja ruostumattomat teräkset sekä alumiini. Kuvan 6 kaide valmistetaan putkiaihiosta, joka taivutetaan CNC-putkentaivuttimella haluttuun muotoonsa. Taivutuskoneen käyttö vähentää hitsausliitosten määrää. Väliputkien leikkaus ja loveaminen tehdään laserilla, jonka ansiosta sovitus on erittäin tarkka. Väliputkien liitokset hitsataan käsin. Kaiteiden dimensiot voivat vaihdella tilauskohtaisesti. Kaiteiden kiinnitys tapahtuu joko pulttiliitoksin tai erillisellä kiinnitysholkilla. Kuva 6. 3D-malli kaiteesta. 3.3 Portaat ja porrastornit Porrastornit ovat kokonaisuus, jossa yhdistyvät portaat, kaiteet, tasot ja kantavat teräsrakenteet. Kuvassa 7 esitetään porrastornin perusrakenne. Porrastorneihin Premekon Oy on kehittänyt oman vakiorakenteensa, minkä ansioista kaikki asennuspaikalla tehtävät liitokset ovat pulttiliitoksia. Vakiorakenne tehostaa myös suunnittelua. Premekon asentaa porrastornit usein itse. Portaat valmistetaan joko alumiinista tai teräksestä. Askelmaprofiilina voidaan käyttää ritilää, kyynellevyä tai reikälevyä.

28 28 Kuva 7. 3D-malli porrastornista. 3.4 Tikkaat Tikkaat valmistetaan rakenneteräksestä tai ruostumattomasta teräksestä. Tikkaat voidaan valmistaa selkäsuojalla, kuten kuvassa 8. Lisäksi kaikki tikkaat toimitetaan jousiportilla varustettuina. Kuva 8. 3D-malli tikkaista.

29 29 4 TERÄSTEN KÄYTTÄYTYMINEN KYLMISSÄ OLOSUHTEISSA Suunniteltaessa ja valmistettaessa teräsrakenteita kylmiin olosuhteisiin on ymmärrettävä terästen murtumiskäyttäytymisen muutos kylmissä olosuhteissa. Matalissa lämpötiloissa teräs voi murtua nopeasti ja hauraasti. Rakenteen haurasmurtuma-alttiutta voidaan vähentää välttämällä haurasmurtumaa edesauttavia tekijöitä niin suunnittelussa kuin valmistuksessa. Terästen sitkeyden arviointiin on kehitetty useita menetelmiä, joita hyödyntämällä saadaan valittua käyttökohteeseen soveltuva materiaali. 4.1 Terästen transitiokäyttäytyminen Seostamattomien ja niukkaseosteisten terästen käyttäytyminen muuttuu jännityksen alaisena matalissa lämpötiloissa sitkeästä hauraaksi. Lämpötila-aluetta, jolla muutos tapahtuu, kutsutaan transitiolämpötilaksi. Teräksen sitkeä käyttäytyminen on rakenteen kannalta välttämätöntä, sillä silloin suunnittelussa käytettävät rakenteiden mekaniikkakaavat toimivat hyvällä tarkkuudella. Lisäksi murtorajatilassa rakenteeseen muodostuvat plastiset nivelet muokkaavat kuormitusjakaumaa ja voivat rajoittaa murtuman paikalliseksi. Hauraasti käyttäytyessään teräs voi murtua erittäin nopeasti. Haurasmurtumaan johtavan kuormitustilan arvioiminen on hankalaa johtuen sen tarvitsemasta vähäisestä energia-absorptiosta. Jopa äänennopeudella etenevä särö ei mahdollista kuormitusten uudelleen jakautumista ja voi johtaa koko rakenteen kantavuuden pettämiseen. (Huhdankoski, 2000, s. 8.) Terästen haurautta ja sitkeyttä kuvataan yleisimmin käsitteellä iskusitkeys, mutta aineenkoetustavasta riippuen voidaan puhua myös murtumissitkeydestä tai pelkästä sitkeydestä. Materiaalille suoritettujen iskukokeiden perusteella voidaan piirtää sitoutunut energia/lämpötila kuvaaja (KV/T-kuvaaja). Kuvaajan muoto riippuu testimateriaalista, koesauvan muodosta ja iskunopeudesta. Kuvaajaa kutsutaan myös transitiokäyräksi. Käyrästä on erotettavissa ylä- ja alatasanne sekä niiden välissä oleva transitioalue (Kuva 9).

30 30 Transitiolämpötila (T t ) määritellään seuraavien kriteerien mukaan (Huhdankoski, 2000, s. 8; SFS-EN ISO 148-1, 2010, s. 34): perustuen tiettyyn sitoutuneen energian arvoon; esim. KV 8 = 27 J tai 40 J (8 mm iskuri) perustuen tiettyyn prosenttiosuuteen ylätason energia-arvosta, esim. 50 % perustuen tiettyyn sitkeän murtuman osuuteen, esim. 50 % perustuen tiettyyn poikittaiseen laajenemaan, esim. 0,9 mm. Kuva 9. Periaatepiirros metallien transitiokäyristä (Muokattu Hsia, 2013, s. 276). Kuvassa 9 on periaatepiirros sekä tkk-hilaisten että pkk-hilaisten metallien transitiokäyrästä. Kuvasta nähdään, että pkk-hilaiset metallit kuten alumiini ja austeniittiset teräkset eivät ole yhtä alttiita haurasmurtumalle kuin tkk-hilaiset ferriittiset teräkset. Konstruktioihin, joissa haurasmurtumavaara on ilmeinen, on pyrittävä valitsemaan materiaaleja, joiden transitiolämpötila on alhainen. Tämä perustuu siihen, että transitiolämpötila kuvaa materiaalin taipumusta haurasmurtumaan yksittäisiä iskusitkeysarvoja paremmin. Erityisesti niukkaseosteisten terästen murtumiskäyttäytymisen muutos transitiolämpötilassa on syytä tiedostaa, koska transitiolämpötila vaihtelee teräskohtaisesti välillä C. Haurasmurtuman välttämiseksi on teräksen transitiolämpötilan oltava matalampi kuin käyttöympäristön alin lämpötila. (Ikonen & Kantola, 1991, s. 49; Huhdankoski, 2000, s. 8.)

31 31 Materiaalin transitiolämpötila riippuu siis testaustausmenetelmästä ja hauraudelle asetetuista kriteereistä, eikä sitä tästä syystä voida pitää yksikäsitteisenä materiaaliominaisuutena. Huomionarvoista on, että iskusitkeys ei ole verrannollinen teräksen muovattavuuden ja murtovenymän kanssa, joten teräksen plastinen muodonmuutoskyky ja kylmäkäyttäytyminen ovat eri asioita. (Huhdankoski, 2000, s. 8, 10.) Teräksen koostumuksella on suuri vaikutus iskusitkeyteen. Eräs keino saada teräkset kestämään matalampia lämpötiloja on nikkeliseostus. Nikkelin (Ni) lisääminen teräkseen kasvattaa merkittävästi teräksen iskusitkeysarvoja matalissa lämpötiloissa. Kuvassa 10 on esitetty hiiliteräksen nikkelipitoisuuden vaikutus iskusitkeyteen. Nikkelipitoisuuden arvot ovat 9 %, 5 % ja 3,5 %. Huomionarvoista on kuitenkin nikkelin verrattain kallis hinta. Kuten kuvasta huomataan, voi yhden lisäaineen pitoisuudet muuttaa teräksen käyttäytymistä merkittävästi. Myös muut seosaineet vaikuttavat teräksen kylmäkäyttäytymiseen. Alumiini- (Al) ja piiseostus (Si) tiivistävät terästä ja saavat näin aikaan sitkeyden kasvun. Alumiinin ohella myös niobi (Nb) ja titaani (Ti) hidastavat rakeenkasvua ja parantavat teräksen iskusitkeyttä. Nikkelin lisäksi mangaani (Mn) on iskusitkeyttä lisäävä seosaine. Iskusitkeyttä heikentäviä seosaineita ovat hiili (C), rikki (S) ja fosfori (P). On siis ensiarvoisen tärkeää huomioida, että kullakin teräksellä on oma transitiokäyränsä. (Suomen Hitsausteknillinen Yhdistys, 2004, s. 150; Huhdankoski, 2000, s. 18.) Kuva 10. Hiiliteräksen nikkelipitoisuuden vaikutus teräksen iskusitkeyteen (Suomen Hitsausteknillinen Yhdistys, 2004, s. 150).

32 Haurasmurtuma Mikäli metallin raerakenteessa on rakeita, joilta puuttuu plastinen muodonmuutoskyky, murtuu teräs ulkoisen jännityksen alaisena hauraasti. Metalli käyttäytyy hauraasti, jos suurin osa sen rakeista on hauraita tai hauraat rakeet ovat sijoittuneet epäedullisiin kohtiin rakennetta. Haurasmurtumalle on ominaista, että murtumiseen tarvittava energia-absorptio on pieni. Haurasmurtumat luokitellaan raerajamurtumaksi ja lohkomurtumaksi, joista jälkimmäinen on selvästi yleisin. (Ikonen & Kantola, 1991, s. 47.) Raerajamurtumassa murtuma etenee rae- tai faasirajoja pitkin. Lohkomurtuma puolestaan etenee rakeiden läpi. Lohkomurtuma syntyy, kun jollakin rakeen liukutasolla vaikuttava leikkausjännitys ylittää kriittisen arvon (τ k ). Kriittisen arvon ylittäminen johtaa mikrosärön ydintymiseen. Tätä seuraa lohkomurtuma, mikäli särön ympärillä tapahtuva plastinen muodonmuutos ei pysty estämään särön kasvua ja säröä kasvattava ulkoinen jännitys on riittävän suuri. (Huhdankoski, 2000, s. 8.) Haurasmurtuman murtopinta on yleensä melko sileä, kirkas, valoa heijastava ja siitä voi erottaa murtuman etenemissuuntaisia juonteita. Murtuman haarautuminen on mahdollista riittävän kimmoenergian turvin. Haurasmurtuman kehittymisessä voidaan erottaa toisistaan kaksi vaihetta; ydintyminen ja eteneminen. Ydintymisellä tarkoitetaan särön muodostumista ehyeen materiaaliin. Lohkomurtuma etenee hyvin nopeasti. Tästä johtuen sen pysähtyminen ei tapahdu helposti, vaikka kuormitusaste laskisikin särön edetessä. Särö voi pysähtyä kärjen tylpistymisen seurauksena, kohdatessaan sitkeämmän aineen tai jännitysten pienentyessä. Murtuman ydintyminen ja eteneminen edellyttävät erilaisia olosuhteita toimiakseen. Yleensä materiaalit valitaan käyttökohteisiin siten, että haurasmurtuman ydintyminen ei ole mahdollista käyttöolosuhteissa. Murtuman eteneminen voi kuitenkin olla mahdollista, jos murtuma ydintyy esimerkiksi onnettomuuskuorman seurauksena. (Ikonen & Kantola, 1991, s. 48; Huhdankoski, 2000, s ) Haurasmurtuman ydintymistä edesauttavat tekijät (Huhdankoski, 2000, s. 9): korkea vetojännitys alhainen käyttölämpötila suuret ainepaksuudet kolmiakselinen jännitystila särön kärjessä

33 33 hauras materiaali jäännösjännitykset iskumainen kuormitus ja suuri kuormitusnopeus jännityskeskittymät särömäiset alkuviat Teräksen hitsaaminen muuttaa materiaalin iskusitkeysominaisuuksia ja asettaa haasteita liitoksen suunnitteluun ja valmistukseen. Hitsausliitoksen haurasmurtumavaaran arvioinnissa on huomioitava useita tekijöitä. Jokaisella hitsausliitokseen muodostuvalla mikrorakenteella on ominainen murtumissitkeys. Tämän lisäksi mikrorakenne voi vaihdella paikallisesti hitsissä ja hitsin muutosvyöhykkeellä. Hitsausvirheet ja väsymissäröt lähellä hauraita mikrorakenteita voivat johtaa haurasmurtumaan. Paikallisten jännitysten huomioiminen on hankalaa johtuen hitsauksen aikaansaamista jännityskeskittymistä ja jäännösjännityksistä. Kuvassa 11 nähdään iskusitkeys ja hitsin muutosvyöhykkeen kovuus t 8/5 -jäähtymisajan funktiona hitsin muutosvyöhykkeellä. Austeniitin hajaantuminen eri mikrorakenteiksi tapahtuu teräksen jäähtyessä lämpötilavälillä 800 C 500 C. Jäähtymiseen kuluvaa aikaa kuvataan t 8/5 -ajalla (Ovako, 2012, s. 5). Jäähtymisaikaan voidaan vaikuttaa erilaisilla hitsausteknisillä keinoilla kuten lämmöntuontia säätelemällä. Optimaaliset ominaisuudet hitsausliitokseen saadaan kuvan 11 alueella 2. (Hauge, 2012, s ; Lukkari & Vähäkainu, 2003, s. 18.) Kuva 11. Jäähtymisajan (t 8/5 ) vaikutus kovuuteen ja iskusitkeyteen muutosvyöhykkeellä (Muokattu Lukkari & Vähäkainu, 2003, s. 18).

34 Sitkeä murtuma Sitkeämurtuma on rakenteen kannalta edullisempi muoto kuin haurasmurtuma, sillä sitkeä murtuma sitoo huomattavasti enemmän energiaa. Sitkeään materiaalin muodostuneen särön kärjessä tapahtuu voimakasta plastisoitumista, joka rajoittaa särön etenemistä. Särö vaatii edetäkseen voimakasta jännitystä. (Ikonen & Kantola, 1991, s. 49.) Sitkeän murtuman kehittymisessä voidaan erottaa neljä vaihetta. Materiaalissa olevan terävän särön kärkeen muodostuu voimakas jännityskenttä, kun rakennetta kuormitetaan. Jännityskenttä aiheuttaa särön kärjen tylpistymisen ja venymisen. Kuormituksen lisääntyessä särön kärjen jännitykset kasvavat ja kärjen eteen muodostuu onkaloita. Onkalot jatkavat kasvuaan ja yhdistyvät lopulta särön kärkeen. Näin särön kasvu jatkuu taas tylpistymisen ja onkaloiden muodostumisen myötä. Onkaloiden kasvunopeus on voimakkaasti riippuvainen särön kärjen jännitystilan kolmiakselisuudesta. Jännitystilan kolmiakselisuus kasvaa ainepaksuuden kasvaessa. Näin ollen ohuita kappaleita voidaan pitää paksuja sitkeämpinä. Kuvassa 12 esitetään sitkeän ja hauraan materiaalin periaatteelliset jännitys-venymäpiirrokset. Sitkeässä murtumassa huomataan myös voimakasta kuroutumista murtuman kohdalla. Lisäksi sitkeälle materiaalille ominainen suuri murtovenymä käy ilmi kuvasta. (Ikonen & Kantola, 1991, s ) Kuva 12. Sitkeän ja hauraan materiaalin jännitys-venymäpiirros ja murtopinnat (Muokattu Kaya, 2009).

35 Materiaalien testausmenetelmät Haurasmurtumaan johtavan särön ydintymisen ja etenemisen vaatimia edellytyksiä voidaan mitata erilaisilla testausmenetelmillä. Materiaalin iskusitkeyttä mitataan iskukokeilla. Charpy V- & U-iskukokeet mittaavat sekä särön ydintymistä että etenemistä. Särön etenemisen edellytyksiä ei kuitenkaan voida tarkasti tutkia iskukokeella johtuen pienestä testikappaleesta ja tylpästä lovesta. Etenemisen tutkimiseen soveltuu paremmin DWT-koe (Drop Weight Tear) ja Pellinin pudotusvasarakoe. Murtumissitkeyttä tutkitaan murtumismekaniikan parametrien avulla. Nykypäivänä tärkeimmät murtumissitkeyden tutkimiseen käytetyt parametrit ja kokeet ovat jännitysintensiteetti kerroin K, J-integraali, särön kärjen avautuma (CTOD) ja särön kärjen avautumiskulma (CTOA) (Zhu & Joyce, 2012, s. 3). Seuraavaksi esitellään testausmenetelmiä tarkemmin pääpainon ollessa Charpyn iskukokeissa sekä CTOD- ja CTOA-testeissä. Useat standardit ja luokituslaitokset luokittelevat teräksien sitkeyden juuri Charpyn iskusitkeysarvojen mukaan. Lujien terästen murtumissitkeyden tutkimuksessa on CTOD- ja CTOA-menetelmien käytöllä merkittävä rooli (Horsley, 2003, s. 547; Rudland et al., 2001, s. 567). Menetelmät ovat olleet tärkeitä sitkeyttä mittaavia parametreja pohjoisen kaasuputkilinjojen ja offshore- teollisuuden parissa. Nykyään niiden merkitys on alkanut korostua ympäri maailmaa (Zhu & Joyce, 2012, s. 31). Esimerkiksi offshore - rakenteille, joita käytetään yli viisi vuotta samassa paikassa ja materiaalin myötölujuus ylittää 420 MPa, Det Norske Veritas vaatii materiaalin CTOD-testauksen (DNV-OS-C101, 2011, s. 34) Charpyn V- & U-kokeet Charpyn-iskukokeessa murretaan lovettu koesauva iskuriheilurilla. Koesauvaan lovetaan U- tai V-lovi ja sauva murretaan yhdellä iskulla loven vastapäiseltä puolelta. Iskukokeeseen sitoutunut energia määritetään. Iskuenergian arvot ovat monilla metalleilla riippuvaisia testauslämpötilasta, joten testauslämpötilat tulee määrittää. (SFS-EN ISO 148-1, 2010, s. 10.) Koesauva on poikkipinnaltaan neliö, jonka sivunpituus on 10 mm. Koesauvan pituus on 55 mm. Keskelle sauvaa tehdään vaatimusten mukainen U- tai V-lovi. Mikäli yleiskokoista

36 36 koesauvaa ei voida valmistaa, voidaan käyttää standardin SFS-EN ISO määrittelemiä erikoiskoesauvoja. Menetelmäkokeissa käytettävät sauvat otetaan poikittain hitsin suuntaan nähden. Kustakin standardissa SFS-EN ISO määritetystä kohdasta otetaan 3 Charpy-V-koesauvaa. Kolmen sauvan iskuenergioiden keskiarvon tulee täyttää materiaalistandardin asettamat vaatimukset. Yksittäinen arvo saa olla alle vähimmäiskeskiarvon edellyttäen, että se on vähintään 70 % keskiarvosta. Minimipaksuus, jolla iskukoe voidaan luotettavasti suorittaa on 6 mm. (SFS-EN ISO , 2012, s. 30; DNV-OS-B101, 2009, s. 44.) Sekä Charpyn V- että U-kokeella voidaan todentaa teräksen transitiokäyttäytymistä, mutta selvää korrelaatiota ei kokeiden välillä ole. Charpyn U-kokeella saadut transitiolämpötilan arvot ovat V-kokeen vastaavia arvoja matalampia. Venäjän GOST-standardit määrittelevät materiaalivaatimuksia usein Charpyn U-koetuloksiin vedoten. (Huhdankoski, 2000, s. 11.) CTOD & CTOA Särön kärjen avautumaa eli CTOD-testiä käytetään kriitillisen vikakoon arviointiin. Testin käyttö soveltuu parhaiten elastis-plastiselle alueelle, jossa särön kärjessä tapahtuu plastista muodonmuutosta ennen murtumaa. Koekappale voi olla selvästi Charpy-testien koekappaleita suurempi. Lisäksi kuormitusastetta voidaan muuttaa todellisia olosuhteita paremmin kuvaavaksi. (Huhdankoski, 2000, s. 15; Mathers, 2013.) Kuvassa 13 esitetään koekappaleen dimensiot. Keskelle koekappaletta koneistetaan lovi, jonka pohjaan muodostetaan väsyttämällä alkusärö. Testi suoritetaan kolmipistetaivutuksella, kuvan 14 osoittamalla tavalla. Testi voidaan tehdä myös vetokokeena. Särön kärjen avautumaa mitataan loven reunoille asetetun mittalaitteen avulla. Särön pintojen välille syntyvä välimatka ennen kuin murtuma lähtee liikkeelle, on CTOD-arvo, jota merkitään symbolilla δ. CTOD-arvoa ei voida määrittää suoraan testikappaleesta, vaan se pitää laskea kaavan 1 mukaan seuraavasti (Mathers, 2013; Zhu & Joyce, 2012, s. 32): (1)

37 37 Kaavassa 1 δ on särön kärjen avautuma, m on funktio halkeaman koosta ja materiaaliominaisuuksista, σ y on tehollinen myötölujuus, K on jännitysintensiteettikerroin (kuormitustapa 1: avausmuoto), υ on Poissonin vakio, E on kimmomoduuli ja J pl on J- integraalin plastinen komponentti. Kuva 13. CTOD- koekappaleen dimensiot (Mathers, 2013). Kuva 14. CTOD-testaus kolmipistetaivutuksella (Mathers, 2013). CTOA (Crack-tip opening angle) -testillä mitataan säröpintojen välistä kulmaa. CTOAtesti on kehitetty erityisesti ohutseinämäisille materiaaleille, kuten lujille ja sitkeille kaasuputkimateriaaleille. Kuvassa 15 näkyy mittaustapojen ero CTOD:n ja CTOA:n välillä. CTOA-arvon määritykseen on kehitetty useita menetelmiä, kuten suurnopeuskuvaukseen perustuva menetelmä. Menetelmän laajamittaista hyödyntämistä rajoittaa kuitenkin hinta ja monimutkaisuus, koska mittaus vaatii lisäkseen elementtimenetelmän mukaisen simuloinnin särön kasvulle. Kuvassa 16 on ASTM E e1 standardin mukaiset testikappaleet. (Zhu & Joyce, 2012, s ; Amaro et al., 2013, s. 199.)

38 38 Kuva 15. Mittaustapojen ero CTOD:n ja CTOA:n välillä (Mahmoud & Lease, 2001, s. 444). Kuva 16. Standardin ASTM E e1 mukaiset testikappaleet CTOA testaukseen (Zhu & Joyce, 2012, s. 5) Jännitysintensiteettikerroin K Jännitysintensiteettikerroin on lineaariselastisen murtumismekaniikan perussuure. Se kuvaa särön vaarallisuutta, ottaen huomioon särön koon ja jännitystilan. Kaavassa 2 on jännitysintensiteettikertoimen yleinen muoto. Kappale murtuu hauraasti, kun saavutetaan materiaalin kriitillinen jännitysintensiteetti K IC. K IC :ta nimitetään myös materiaalin murtumissitkeydeksi ja se kuvaa materiaalin kykyä vastustaa särön kasvua. Murtumissitkeys on materiaalille ominainen suure ja se määritetään kokeellisesti. Murtumissitkeyden arvo riippuu huomattavasti testauslämpötilasta ja materiaalin lujuudesta. Kuvassa 17 on esitetty muutamien koneterästen murtumissitkeyden muutokset lämpötilan funktiona. Murtumissitkeyden avulla voidaan määrittää kriittinen särökoko tai kriittinen nimellisjännitys, jos toinen niistä tiedetään. (Salmi & Virtanen, 2008, s. 322, 329, 331.)

39 39 (2) Kaavassa 2 K I tarkoittaa jännitysintensiteettikerrointa peruskuormitustavalla (I avaava muoto), α kuvaa tapauskohtaisia suureita ja a on särön syvyys. Kuva 17. Koneterästen murtumissitkeyden muutokset lämpötilan funktiona (Salmi & Virtanen, 2008, s. 331) Pellinin pudotusvasarakoe Pudotusvasarakokeella määritetään ns. nollasitkeyslämpötila eli NDT- lämpötila (Nil- Ductile-Transition). Koekappale kiinnitetään niin, että siitä muodostuu kolmipistetaivutussauva. Tämän jälkeen se taivutetaan pudotusvasaralla pieneen kulmaan. Koekappaleeseen hitsattuun hitsipalkoon on tätä ennen koneistettu poikittainen lovi, josta murtuma kasvaa kohti perusainetta. Koe toistetaan eri lämpötiloilla ja NDT- lämpötilaksi määräytyy lämpötila, jossa teräksen käyttäytyminen muuttuu sitkeästä hauraaksi eli särö voi edetä koekappaleen reunaan pienellä nimellisjännityksellä. (Huhdankoski, 2000, s. 12.) DWT-koe DWT-kokeilla (Drop Weight Tear) tutkitaan haurasmurtuman etenemistä. Testi suoritetaan kolmipistetaivutussauvalle, jonka vetopuolelle on painettu teräväreunainen lovi. Sauva murretaan testauslämpötilassa joko pudotus- tai heilurivasaralla. Materiaalin sitkeyttä

40 40 arvioidaan murtopinnan sitkeän murtuman osuuden perusteella tietyssä lämpötilassa. Lisäksi voidaan tutkia kappaleen murtamiseen tarvittavaa iskuenergiaa Charpyn-testien tapaan. (SFS-EN 10274, 1999, s. 5-6.) J-integraali J-integraalia käytetään elastisplastisessa murtumismekaniikassa murtumisvaaran arviointiin. J-integraali ottaa huomioon särön kärjessä tapahtuvan plastisoitumisen ja se pätee myös ohuille materiaaleille. Materiaalikohtaisesti voidaan määrittää kriittinen arvo J c. J-integraalin käyttö on kuitenkin hyvin työlästä. (Ikonen & Kantola, 1991, s. 25; Huhdankoski, 2000, s. 15.)

41 41 5 STANDARDIEN ASETTAMAT VAATIMUKSET JA MÄÄRÄYKSET MATERIAALEILLE JA HITSAUSTUOTANNOLLE Tässä kappaleessa tutkitaan standardien asettamia vaatimuksia käytettäville materiaaleille ja niiden valinnalle arktisessa rakentamisessa sekä öljy- ja kaasuteollisuudessa. Lisäksi käsitellään hitsauksen laatuvaatimuksia ja toimenpiteitä laadunvarmistamiseksi eri standardien pohjalta. Kappaleessa annetaan myös yksityiskohtaisia suunnitteluohjeita portaiden, porrastornien, kaiteiden, kulku- ja hoitotasojen sekä tikkaiden suunnitteluun. 5.1 NORSOK Norjan öljyteollisuus on kehittänyt NORSOK-standardisarjan takaamaan riittävän turvallisuuden öljyteollisuuden kehityshankkeissa ja operaatioissa. Lisäksi sen tavoitteena on tuottaa lisäarvoa hiilivetyteollisuudelle ja lisätä hankkeiden kustannustehokkuutta. NORSOK pohjautuu ISO-standardeihin. Työssä tutkitaan NORSOK M- ja N- standardisarjoja liitteineen. M-sarja käsittele öljyteollisuudessa käytettäviä konstruktiomateriaaleja ja N-sarja antaa suunnitteluohjeita teräsrakenteille. NORSOK M- 101 antaa ohjeita ja määräyksiä offshore-rakenteiden valmistukseen ja laaduntarkastukseen. M-120 sisältää teräskohtaisia materiaalivaatimuksia Suunnitteluluokat Standardin NORSOK N-004 mukaan teräkset valitaan käyttökohteisiinsa suunnitteluluokan perusteella. Tärkein kriteeri hitsausliitoksen suunnitteluluokan (Design Class, DC) valinnassa on mahdollisesta vaurioista aiheutuvat seuraukset. Taulukossa 3 esitetään suunnitteluluokan valinta vaurion aiheuttamien seurauksien perusteella. Taulukosta huomataan, että hitsausliitos vaikuttaa suunnitteluluokan valintaan. Monimutkaisella liitoksella tarkoitetaan taulukossa liitosta, johon syntyy liitettävien kappaleiden geometriasta ja hitsityypistä johtuen kolmiakselinen jäännösjännitystila. (NORSOK N-004, 2013, s. 10.)

42 42 Taulukko 3. Suunnitteluluokat (NORSOK N-004, 2013, s. 10). Suunnitteluluokat DC1 ja DC2 on tarkoitettu liitoksille, joissa murtumasta voi aiheutua tuntuvia seuraamuksia kuten ihmishenkien menetyksiä, saasteita tai suuria rahallisia tappioita. Murtuman jälkeinen jäännöslujuus on vähäinen luokilla DC1 ja DC2. DC3 ja DC4 luokat on tarkoitettu liitoksiin, joiden vaurioitumisella ei ole vakavia seurauksia johtuen rakenteen jäännöslujuudesta. DC5 suunnitteluluokka sallitaan liitoksiin, joiden vaurioituminen ei johda vakaviin seuraamuksiin. NORSOK-standardit eivät suoranaisesti määrää portaita, porrastorneja, tikkaita tai kulkutasoja kuuluvaksi mihinkään tiettyyn suunnitteluluokkaan. Tyypillisesti erilaiset varusteet ja komponentit sekä rakenteet, jotka eivät ole varsinaisesti kuormaakantavia, kuuluvat suunnitteluluokkiin DC3, DC4 tai DC5. Suunnitteluluokka koskien portaita, porrastorneja, tikkaita ja kulkutasoja tulee määrittää tapauskohtaisesti tilaajan kanssa. Vaikka edellä mainittujen rakenteiden rikkoutuminen ei aiheuta esimerkiksi porauslautan kokonaisvaltaista kantavuuden menettämistä, voi ihmishenkien menettämisen mahdollisuus tiukentaa suunnitteluluokan valintaa. Teräksen laatuluokan ja suunnitteluluokan välinen yhteys esitetään taulukossa 4. Taulukossa on minimivaatimukset teräksen laatuluokille eri suunnitteluluokissa. Jos valitaan minimivaatimusta parempi teräsluokka, ei valmistukselle asetetut vaatimukset kuitenkaan tiukkene. Laatuluokka tulee valita valmistettavan komponentin tiukimman suunnitteluluokan mukaan. (NORSOK N-004, 2013, s. 10.)

43 43 Taulukko 4. Teräksen laatuluokan ja suunnitteluluokan välinen yhteys (NORSOK N-004, 2013, s. 11) Portaiden suunnitteluperusteet Portaat, joita käytetään kulkuteinä koneille ja laitteille suunnitellaan standardin EN ISO mukaisesti. Kaikki muut portaat suunnitellaan standardin NORSOK C-002 mukaan. Valmistaja on vastuussa, että tuotteet vastaavat CE-merkinnän mukaisia vaatimuksia. Standardissa portaat jaotellaan ensisijaisiksi ja toissijaisiksi portaiksi. Toissijaiset portaat tarkoittavat kierreportaita, kaltevia ja pystysuoria tikkaita, joita käytetään kulkutienä alueille, joilla liikkuu vähän ihmisiä. Kaikki muut portaat, joita käytetään pääkulkuväylinä, luokitellaan ensisijaisiksi portaiksi. Hätäpoistumistiet luokitellaan ensisijaisiksi portaiksi. Kulkutielle tulee asentaa portaat, mikäli kahden tasonvälinen korkeusero on yli 350 mm. (NORSOK C-002, 2006, s. 13, 15.) Ensisijaisten portaiden vähimmäisleveys on 1,2 metriä. Toissijaisten portaiden vähimmäisleveys on yksi metri, mutta joissain tapauksissa käytön ollessa rajoitettua voidaan vaatimusta laskea. Leveys mitataan käsijohteiden sisäpinnoilta. Portaiden nousukulma ei saa ylittää 38. Yhtälöä 3 käytetään etenemän ja nousun suhteen määrittämiseksi. Suurin sallittu nousu on rajattu 190 millimetriin. (NORSOK C-002, 2006, s. 16.) Etenemä + 2*Nousu = 630 mm (±30) (3) Askelmien limityksen on oltava vähintään 20 mm ja porrasjakson nousu tulisi pitää vakiona. Askelreunoissa pitää käyttää liukumisen estäviä pinnoitteita. Yhdessä porrasjaksossa sallitaan korkeintaan 16 askelmaa. Jokaisen porrasjakson alku- ja loppupäässä on oltava tasanne. Tasanteen leveys on oltava vähintään sama kuin portaiden

44 44 leveys. Vähimmäiskulkukorkeus kaikille portaille on 2300 mm. (NORSOK C-002, 2006, s. 16.) Askelmien on kestettävä 100 mm x 100 mm kokoiselle alueelle kohdistettu 2000 N voima ilman pysyviä muodonmuutoksia. Sisäpuolisten portaiden materiaalin valinnassa on huomioitava käyttötarkoituksen ja sijainnin tuomat rajoitukset. Ulkopuolisissa portaissa, askelmissa sekä tasanteilla tulee käyttää ritilöitä. Ritilän silmäkoko on oltava niin pieni, ettei halkaisijaltaan 20 mm kuula pääse putoamaan siitä läpi. Kuulavaatimusta voidaan kasvattaa 35 mm:iin, mikäli tippuvista esineistä ei ole vaaraa ihmisille. Kaikki askelmat on varustettava vähintään 50 mm korkealla jalkalistalla. Tasanteilla jalkalistan korkeus on vähintään 100 mm. Jalkalistan ja ritilän välinen etäisyys ei saa kasvaa yli 10 mm:iin. (NORSOK C-002, 2006, s. 16.) Lisäksi hoitotasojen, portaiden ja porrastornien valmistuksessa ja asennuksessa on huomioitava seuraavia tekijöitä. Vierekkäisten kulkutasojen (esimerkiksi ritilät) korkeusero ei saa ylittää 2 millimetriä. Levyissä ja ritilöissä ei saa olla näkyviä vääntymiä tai kiertymiä. Portaiden ja porrastasanteiden paikat eivät saa poiketa yli 25 mm piirustusten osoittamasta paikasta. Mikäli valmistustoleransseja ei ole erikseen mainittu, täytyy mittojen pysyä 10 mm sisällä piirustuksiin merkityistä mitoista. Pulttiliitoksia varten tehtyjen reikien paikka saa poiketa korkeintaan 2 mm piirustukseen merkitystä paikasta. (NORSOK M-101, 2011, s. 56.) Kaiteiden suunnitteluperusteet Suojakaiteet ja käsijohteet, jotka ovat osana koneita ja laitteita suunnitellaan standardin EN ISO mukaan. Muut suojakaiteet ja käsijohteet noudattavat standardin NORSOK C- 002 määräyksiä. NORSOK-standardin mukaan käsijohteet suunnitellaan kestämään 1,5 kn/m 2 vaakasuuntainen voima. Tyypillisesti käsijohde/suojakaide-kokonaisuus koostuu käsijohteesta, välijohteesta, kaidetolpista ja jalkalistasta. Käsijohteen tehtävä on taata tukeva ote kädelle. Välijohde estää henkilön tippumisen kaiteen välistä ja kaidetolpat kiinnittävät suojakaiteen tasoon. Jalkalista puolestaan estää esineiden tippumisen alemmille tasoille. (NORSOK C-002, 2006, s. 17.)

45 45 Kannet, kulkutasot ja tasanteet, jotka ovat yli 500 mm korkeudella, tulee varustaa suojakaiteilla. Kaidetolppien välinen etäisyys ei saa olla yli 1500 mm. Käsijohteen tulee olla vähintään 1100 mm:n korkeudella astinpinnasta. Jalkalistan ja välijohteen sekä välijohteen ja käsijohteen välinen tila ei saa kasvaa yli 380 mm:iin. Jalkalistan vähimmäiskorkeus on 100 mm ja se on asennettava vähintään 10 mm päähän tason reunasta. Mikäli käsijohteen kulkureitti ei ole suora, tulee kulmaan (käännökseen) asettaa kaidetolppa, ellei tolppia ole asennettu molemmille puolille vähintään 350 mm etäisyydelle kulmasta. Suunnittelussa on pyrittävä noudattamaan moniesteperiaatetta, jossa yksittäinen vaurio ei johda koko rakenteen pettämiseen. Valmis kaidekokonaisuus pitäisi olla huoltovapaa ja korroosiota kestävästä materiaalista valmistettu. (NORSOK C-002, 2006, s ) Käsijohteessa ei saa olla teräviä särmiä, jäysteitä tai mitään esteitä, jotka haittaisivat käsijohteeseen tarttumista. Majoitustiloissa käsijohteen ja minkä tahansa esteen välinen etäisyys on oltava vähintään 50 mm ja muilla alueilla vähintään 100 mm. Käsijohteen halkaisija vaihtelee välillä mm. Kun kaiteita käytetään portaiden yhteydessä, on ne asennettava molemmin puolin portaita. Käsijohteen ja turvakaiteen on oltava samansuuntaisia portaiden nousulinjan kanssa. Portaan käsijohteen pystysuora etäisyys on vähintään 1000 mm askelreunan yläpuolella ja vähintään 1100 mm etäisyydellä tasanteista ja kansista. Käsijohteen tulee jatkua yhtenäisenä koko portaiden matkan. (NORSOK C- 002, 2006, s. 18.) Hitsausohjeen hyväksyttäminen Standardi NORSOK M-101 määrittelee vaatimukset hitsattujen offshore-rakenteiden valmistukselle ja tarkastuksille. Standardi kattaa teräkset, joiden myötölujuus (SMYS) on 500 MPa ja matalin suunnittelulämpötila -14 C. Matalammat suunnittelulämpötilat vaativat projektikohtaista arviointia ja niissä on mahdollista käyttää 690 MPa:n myötölujuuteen yltäviä teräksiä. (NORSOK M-101, 2011, s. 6.) Hitsausohje (WPS) tulee hyväksyttää standardin ISO mukaisesti. Hyväksyttäminen tapahtuu aina menetelmäkokeella ISO mukaan, kun teräksen laatuluokka on I tai II, sekä laatuluokassa III teräksen myötölujuuden ollessa 355 MPa. Valmistajan saama hyväksyntä alustavalle hitsausohjeelle käsittää saman teknisen- ja

46 46 laadunvalvonnan alaiset kyseisen valmistajan konepajat ja valmistuspaikat. Hitsausohje voidaan siirtää alihankkijan käyttöön, mikäli alihankkijalla on ISO mukainen laadunhallintajärjestelmä ja hitsauksen koordinointi suoritetaan ISO standardissa määritellyllä tavalla. Hitsausmenetelmän hyväksymispöytäkirjassa (WPQR) täytyy olla materiaalisertifikaatit perus- ja lisäaineesta. Lisäksi mahdollinen jälkilämpökäsittelyraportti (PWHT) on lisättävä pöytäkirjaan. (NORSOK M-101, 2011, s. 8-9.) Hitsausohjeiden hyväksyntä ja pätevyysalue eri lujuusluokkien teräksille noudattaa standardia ISO seuraaviin lisäyksin (NORSOK M-101, 2011, s. 9): Jos koekappaleet on hitsattu sekä korkealla että matalalla lämmöntuonnilla, täytyy testaus suorittaa molemmille kappaleille, jotta hitsausohje tulee voimaan kaikilla lämmöntuonneilla korkean ja matalan välillä. Mikäli teräksen, jonka säröparametri P cm 0,21 tai hiilipitoisuus C 0,13 %, säröparametrin arvo kasvaa 0,02 tai hiiliekvivalentin arvo 0,03 CEV (IIW-kaava), vaaditaan uusintatestaus. Uusintatestaus vaaditaan siirryttäessä valssatusta tai taotusta teräksestä valuteräksiin tai toisinpäin. Uusintatestaus vaaditaan, jos teräksen toimitustila muuttuu missä tahansa lujuusluokassa teräksen laatuluokan ollessa I tai II, sekä laatuluokassa III, jos teräksen myötölujuus on 400 MPa tai enemmän. Mikroseostuksen tai teräksen valmistustavan muuttaminen myötölujuuden ollessa yli 400 MPa johtaa uusintatestaukseen. Railokulman pienentäminen yli 10 johtaa uusintatestaukseen. Jos pienahitsi on hyväksytty ainepaksuudella 30 mm, kattaa se kaikki materiaalipaksuudet. Yksipalkohitsauksen hyväksyttäminen pätevöittää monipalkohitsaukseen, mutta ei päinvastoin. Hitsausohjeen hyväksyntä käsinhitsaukselle menetelmillä 135 (MAG-hitsaus) ja 136 (MAG-täytelankahitsaus) kattaa myös osittain mekanisoidun ja mekanisoidun hitsauksen, mutta ei toisinpäin. CTOD-testi vaaditaan hitseiltä, joissa liitettävien materiaalien ainepaksuus on yli 50 mm.

47 47 Myötölujuudeltaan yli 500 MPa olevien terästen pätevyysalueet noudattavat edellä mainittuja seuraavin lisäyksin (NORSOK M-101, 2011, s. 9): Jos materiaalin valmistaja vaihtuu, vaaditaan uusintatestaus. CTOD-testi vaaditaan hitseiltä, joissa liitettävien materiaalien ainepaksuus on yli 30 mm. Jännityksenpoistohehkutus suoritetaan tarvittaessa suunnittelijan vaatimusten ja ohjeiden mukaan Menetelmäkoekappaleiden testaus Koekappaleet tulee testata liitostyypistä riippuen erilaisilla testeillä. Taulukkoon 5 on koottu kutakin liitostyyppiä vastaavat testausmenetelmät ja -määrät. Testaus suoritetaan standardin ISO vaatimusten mukaan huomioiden taulukossa esitettävät lisävaatimukset. Lisäksi koekappale tulee tutkia tarkoituksenmukaisella NDTmenetelmällä hitsausvirheiden osalta. (NORSOK M-101, 2011, s. 10.)

48 48 Taulukko 5. Koekappaleiden testausmenetelmät ja -määrät liitostyypin mukaan (NORSOK M-101, 2011 s. 9-11). Taulukosta 5 huomataan, että iskukoe tehdään aina koesauvalla, jonka lovenmuoto on V. Materiaalin iskusitkeysarvojen ja testauslämpötilojen tulee täyttää taulukossa 6 esitettävät minimivaatimukset. Yksikään testausarvoista ei saa olla vähempää kuin 70 % taulukossa annetusta minimiarvosta. (NORSOK M-101, 2011, s. 11.)

49 49 Taulukko 6. Iskusitkeysvaatimukset eri teräksille (NORSOK M-101, 2011, s. 11) Hitsaajat, hitsausoperaattorit ja hitsauksen koordinointi Hitsaajien täytyy olla pätevöityjä EN mukaisesti. EN käsittää hitsaajan pätevyyskokeen teräksille. Hitsaajien pätevyys tulee todentaa käyttämällä ulkopuolista riippumatonta tarkastusorganisaatiota. Silloitushitsaajilta vaaditaan edellä mainittujen standardien mukainen pätevyyskoe, mutta ne voidaan hyväksyä ilman ulkopuolista tarkastajaa. Hitsauksen koordinointi tulee toteuttaa standardin ISO mukaan ja vastuussa olevalta hitsauskoordinoijalta vaaditaan kansainvälisen hitsausinsinöörin (IWE) pätevyys. Hitsausinsinööri voi delegoida tehtäviä hitsausteknikoille (IWT). Mikäli yritys valmistaa tuotteita, joiden tarkastusluokka on D ja/tai E, riittää hitsauskoordinoijalle kansainvälinen hitsausteknikon pätevyys. (NORSOK M-101, 2011, s. 12.) Laaduntarkastus ja jäljitettävyys Valmistusdokumenteista on selvittävä sertifikaatit ja viittaukset käytettäviin materiaaleihin ja niiden vaatimuksiin, jotta ne voidaan tarvittaessa jäljittää. Hitsauksen jäljitettävyyttä valvotaan valmistajan sisäisen järjestelmän mukaisesti. (NORSOK Z-001, 1998, s. 7.) Hitsaustarkastajan tulee tarkastaa ennen ja jälkeen hitsauksen sekä hitsauksen aikana NORSOK M-101 standardin liitteen F mukaisia asioita. Tarkastuksista on raportoitava viikoittain hitsauskoordinoijalle. Hitsaustarkastajan on pätevöidyttävä norjalaisen standardin NS 477 mukaisesti tai vaihtoehtoisesti vaaditaan kansainvälisen hitsaustarkastajan (IWI) pätevyys. Ennen valmistuksen aloittamista on toimeenpantava laaduntarkkailujärjestelmä. Kaikki puutteet, viat ja virheet on tutkittava heti ja ryhdyttävä toimenpiteisiin virheiden ehkäisemiseksi jatkossa. Hitsauskoordinoija on velvoitettu dokumentoimaan tehdyt toimenpiteet virheiden välttämiseksi. Implementoitu

50 50 laaduntarkastusjärjestelmä perustuu NDT-tarkastuksiin, joita tehdään viikoittain ja tulokset raportoidaan yhdessä aikaisemmin laskettujen virheprosenttien kanssa. Laatuvirhestatistiikkaa käytetään yrityksessä laadunhallinnan välineenä. (NORSOK M-101, 2011, s. 13, 18.) Tuotantohitsaus Hitsauksen tulee noudattaa standardia EN Standardissa annetaan yleisohjeita metallisten materiaalien hitsaukselle. Valmistajalla tulee olla sertifioitu standardin mukainen laadunhallintajärjestelmä käytössään. Hitsaustyö toteutetaan hitsausohjeiden ja piirustusten perusteella. Hitsausohje täytyy antaa suoraan hitsaajan käyttöön ja se tulee olla saatavilla aina hitsauspaikalla. (NORSOK M-101, 2011, s. 12, 16.) Päittäishitsit laatuluokissa I ja II on hitsattava molemmilta puolilta mikäli mahdollista. Jos myötölujuus luokassa III ylittää 400 MPa, suoritetaan hitsaus myös molemmilta puolilta. Mikäli tuotannon aikana havaitaan halkeamia hitsissä tai perusaineessa, tulee halkeamien aiheuttaja tutkia. Tuotanto keskeytetään, kunnes halkeamien tai vikojen aiheuttaja saadaan selvitettyä ja uudelleen esiintyminen estettyä. Tämä voi johtaa menetelmäkokeen uusimiseen. (NORSOK M-101, 2011, s. 16.) Jotta voidaan varmistua, että hitsattava rakenne vastaa sille asetettuja vaatimuksia, tarvitsee tuotteelle tehdä valmistuskoestus. Valmistuskoestuskappale tehdään rakenteen kannalta kriittisestä hitsistä. Kappaleen on täytettävä menetelmäkokeen mukaiset hyväksymisrajat. CTOD-testausta ei valmistuskoestuksessa vaadita. Vähintään yksi valmistuskoestus on tehtävä jokaista hitsausmenetelmää kohden. (NORSOK M-101, 2011, s. 17.) Liitosten NDT-tarkastus Rikkomaton aineenkoetus eli NDT-tarkastus jaetaan NORSOK standardeissa viiteen tarkastusluokkaan: A, B, C, D ja E. Luokista A on vaativin ja luokka E sisältää vain silmämääräisen tarkastuksen. Konstruktiot jaetaan tarkastusluokkiin rakenteen jännitysten, hitsien sijainnin ja suunnitteluluokan perusteella. Taulukossa 7 näkyy rakenteiden jaottelu tarkastusluokkiin. Tarkastusluokat muuttuvat ympäristön kuormittavuuden perusteella. Taulukko 7 on tapauksille, joissa rakenteen laskennallinen kestoikä on kolme kertaa pidempi kuin vaatimustenmukainen kestoikä. Taulukkoon 8 on koottu eri

51 51 tarkastuslaajuudet tarkastusluokan mukaisesti sisältäen silmämääräisen (VT), radiografisen (RT), ultraääni- (UT) ja magneettijauhetarkastuksen (MT). (NORSOK N-004, 2013, s. 11.) Taulukko 7. Tarkastusluokan valinta suunnitteluluokan ja jännityksen perusteella (NORSOK N-004, 2013, s. 11.)

52 52 Taulukko 8. Tarkastuslaajuudet tarkastusluokkien mukaisesti rakenneteräksille (NORSOK M-101, 2011, s. 19). Yksityiskohtaiset hyväksymiskriteerit eri virheille annetaan standardissa NORSOK M-101 kohdassa 9.8. NDT-testauksesta vastuussa olevan henkilön tulee olla pätevöity standardien EN 473 tai ISO 9712 mukaan tai vaihtoehtoisesti kolmannen osapuolen sertifiointijärjestelmän mukaisesti. Vastuuhenkilöltä vaaditaan tason 3 sertifiointi. Henkilön, joka suorittaa silmämääräistä tarkastusta, on pätevöidyttävä standardin ISO 9712 tason 2 vaatimusten mukaan tai kolmannen osapuolen sertifiointijärjestelmän mukaisesti. (NORSOK M-101, 2011, s. 18, 21.) Laatuluokkien mukaiset teräkset Standardissa NORSOK M-120 jaetaan rakenneteräkset laatuluokkiin I IV. Standardi kattaa myötölujuudet MPa. Yksityiskohtaisemmat tiedot teräksistä on koottu materiaalikohtaisiin tietolomakkeisiin. Teräkset ovat EN-standardien mukaisia. Lomakkeista löytyvät esimerkiksi tiedot CTOD-testin minimivaatimuksista, mikäli testi vaaditaan. Kaikille CTOD-testausta vaativille teräksille minimi CTOD-arvo hitsauksen jälkeen on 0,25 mm. (NORSOK M-120, 2008, s. 7.) Luokan IV teräkset koostuvat rakenneteräksistä, joiden myötölujuus vaihtelee MPa. Näille teräksille taataan 27 J:n iskusitkeysarvot +20 C:ssa tai 0 C:ssa. Luokan III teräksiin kuuluvat teräkset myötölujuusluokissa MPa. Luokan III teräksille on

53 53 ominaista 27 J:n tai 40 J:n iskusitkeysarvot -20 C:ssa. Osa teräksistä toimitetaan lisämerkinnällä L. Merkintä tarkoittaa, että iskusitkeyden vähimmäisarvo on määritelty alimmillaan lämpötilassa -50 C:ssa. Luokkien I ja II rakenneteräkset ovat lujuudeltaan MPa. Luokkien I ja II terästen iskusitkeys mitataan -40 C:ssa. Lujuudeltaan 420 MPa oleville teräksille iskusitkeysvaatimus on 42 J ja lujuudeltaan 460 MPa:ta oleville teräksille 46 J. (NORSOK M-101,2011, s. 28.) Hiili- ja niukkaseosteisille teräksillä myötö- ja murtolujuuden suhde ei saa ylittää 0,9, eikä hitsattavien materiaalien myötölujuus saa ylittää 560 MPa. Jos kuitenkin käytetään lujempia teräksiä, tulee osoittaa, että teräs soveltuu hitsaukseen. Lisäksi perusmateriaalin, muutosvyöhykkeen sekä hitsin kummatkin puolen ominaisuudet on oltava hyväksyttävällä tasolla. Materiaalin käyttölämpötilan ollessa rajoittava tekijä tulee huomioida myös muut lämpötilat kuten kuljetuksen, varastoinnin ja valmistuksen aikainen lämpötila. (NORSOK M-001, 2004, s ) Ruostumaton teräs ja nikkeliseokset Tyypilliset käytettävät materiaalit ovat austeniittinen ruostumaton teräs 316L, Duplex teräkset 2205 ja 2304 sekä nikkeli-kromiseokset kuten 800H/HT. Materiaalien hitsaus on suoritettava hyväksytyn hitsausohjeen avulla. Hitsausohje tulee hyväksyttää menetelmäkokeella standardin ISO mukaisesti. Charpyn iskusitkeyskokeet tehdään perusmateriaalin niitä vaatiessa. Testauslämpötila määräytyy myös testattavan materiaalin mukaan. Duplex-teräksille iskusitkeyden hyväksymisraja on 27 J määrätyssä lämpötilassa tai poikittainen laajenema on vähintään 0,38 mm, joka on myös austeniittisten ruostumattomien terästen ja nikkeliseosten hyväksymisraja. Mikrorakennetutkimukset ja korroosiotestaus tehdään materiaalin niitä vaatiessa. Hyväksymisrajat ja testien suorittaminen esitetään standardissa NORSOK M-601. (NORSOK M-101, 2011, s. 59.) Ruostumattomien terästen ja nikkeliseosten hitsaus ja laaduntarkastus noudattelee samoja luokittelusääntöjä kuin rakenneterästen. Tuotantohitsaus tehdään standardin EN pohjalta. Erityishuomiota on kiinnitettävä materiaalien puhtauteen. Monipalkohitsauksessa suurin sallittu välipalkolämpötila on 150 C. Katkohitsit ovat sallittuja vain syövyttämättömissä ja kuivissa kohteissa. Muuten kaikki hitsit on pyrittävä hitsaamaan

54 54 jatkuvana. Suurin sallittu kylmämuokkausaste austeniittisille ruostumattomille teräksille on 10 % ja nikkeliseoksille sekä Duplex-teräksille 5 %. (NORSOK M-101, 2011, s. 60.) Taulukossa 9 esitetään tarkastusluokkien laajuus ruostumattomille ja nikkeliseosteisille teräksille. Tarkastusluokka määräytyy standardin NORSOK N-004 mukaan. Silmämääräinen tarkastus tulee suorittaa mahdollisuuksien mukaan molemmille puolille hitsiä. Hyväksymisrajat eri testausmenetelmille ovat samat kuin rakenneteräksille. Taulukossa RT tarkoittaa radiografista tarkastusta ja PT tunkeumanestetarkastusta. Korjaushitsaus on sallittu vain kahdesti samalle alueelle. (NORSOK M-101, 2011, s. 61.) Taulukko 9. Tarkastuslaajuudet tarkastusluokkien mukaisesti ruostumattomille ja nikkeliseosteisille teräksille (NORSOK M-101, 2011, s. 61) Alumiini Alumiinirakenteita koskeva NORSOK standardi M-102 vuodelta 1997 on kumottu, eikä uutta standardia koskien alumiinirakenteiden valmistusta ole julkaistu. Näin ollen alumiinirakenteiden tarkastelussa keskitytään voimassaolevaan standardiin NORSOK M- 121, jossa on materiaalikohtaista tietoa eri alumiineista. Alumiineja hankittaessa on kiinnitettävä huomioita laatuun, toimitustilaan, muotoon ja mittoihin, toleransseihin sekä merkitsemiseen. NORSOK M-121-standardi sisältää kokoelman eri alumiinien materiaalikohtaisista tietolomakkeista. Lisäksi standardi antaa suosituksia ja ohjeita materiaalin valintaan. (NORSOK M-121, 1997, s. 2-3.)

55 55 Perusrakenteiden materiaalivannassa standardi suosittelee ensisijaiseksi valinnaksi levyille alumiiniseosta 5083 ja profiileille ja 6082-seoksia. Muita seoksia tulisi käyttää vain toissijaisissa sovelluksissa. Lisäaineeksi alumiinien hitsaukseen standardi suosittelee seosta Standardi ei kuitenkaan poissulje muiden seosten käyttöä eri kohteissa, mikäli ne soveltuvat paremmin käyttökohteeseen. Käytettävien materiaalien rajaamisella pyritään välttämään esimerkiksi materiaalin vaihtuminen vahingossa kesken tuotannon ja siitä aiheutuvat seuraukset. (NORSOK M-121, 1997, s. 3.) Toissijaisilla rakenteilla tarkoitetaan tässä standardissa portaita, kulku- ja hoitotasoja. Standardissa NORSOK M-121 on listattu alumiiniseoksia eri käyttötarkoitusten mukaan. Toissijaisille rakenteille suositellaan esimerkiksi seosta Seoksella on kohtalaisen hyvät mekaaniset ominaisuudet ja hyvä korroosiokestävyys meriolosuhteissa. (NORSOK M-121, 1997, s. 4, 5, 7.) Pulttimateriaalit Pulttimateriaaleina käytetään hiili- tai niukkaseosteisia teräksiä. Nikkeli-kromiseosta 625 käytetään olosuhteissa, joissa pultti altistuu merivedelle ja katodista suojausta ei voida taata. Lisäksi on varmistuttava, että materiaalin mekaaniset ominaisuudet vastaavat käyttölämpötilaa. Materiaalia valittaessa on huomioitava myös kitkakorroosion vaikutus sekä eripariliitoksissa galvaaninen korroosio ja materiaalien toisistaan eroava lämpökäyttäytyminen. Kaikki käytettävät pultit ja mutterit on oltava sertifioituja standardin EN mukaan. Pulttimateriaalien täytyy olla kuumasinkittyjä tai niillä täytyy olla joku muu vastaava korroosiosuoja. Pulttien lujuus ja kovuus eivät saa ylittää standardin ISO mukaisia luokan 10.9 vaatimuksia. Halkaisijaltaan yli 25 mm olevien pulttien iskusitkeys on testattava samoilla vaatimuksilla kuin liitettävän materiaalin. (NORSOK M-001, 2004, s ) Korroosiosuojaus Materiaalin valinnassa korostetaan luotettavuutta ja käytettävyyttä. Yhtenä osa-alueena materiaalivalinnassa on korroosioalttius ja korroosion valvonta. Offshore-teollisuudessa käyttöympäristön ilma kuvataan kosteaksi ja siinä esiintyy merestä peräisin olevia klorideja. Tämä tekee ilmasta erityisen syövyttävän. Myös rannikkoalueilla on huomioitava ilman aiheuttama kasvanut korroosion riski. Tyypillisimmät korroosiomuodot

56 56 ovat jännitys-, piste- ja rakokorroosio. Kloridipitoiset liuokset kasvattavat näiden kaikkien kolmen korroosiotyypin esiintymisherkkyyttä. (NORSOK M-001, 2004, s ) Hiiliteräksen pinnat tulee suojata aina, mikäli teräs altistuu ulkoilmalle. Ohjeet pintojen suojaukselle ja ennenaikaisen korroosion välttämiseksi annetaan standardissa ISO Standardi antaa ohjeet pintojen suojaukselle maalien ja lakkojen avulla. Lisäksi siinä esitetään suunnittelukeinoja, joita soveltamalla korroosioalttiutta voidaan laskea. Alumiinia ja ruostumatonta terästä ei tarvitse maalata ellei toisin määrätä. (NORSOK M-001, 2004, s. 10; NORSOK M-501, 2012, s. 9.) Tuotteiden ja rakenteiden pinnoitus vaatii testauksella saavutettavan hyväksynnän ennen varsinaista pinnoitusta. Testauksella varmistetaan, että käytetty pinnoitusmenetelmä vastaa tuotteelle asetettuja vaatimuksia. Maalausjärjestelmästä riippuen tutkitaan esimerkiksi vanhenemiskestävyyttä. Pinnoituksesta on lisäksi laadittava erillinen seloste, josta käy ilmi pinnoituksessa huomioon otettavat asiat ja määräykset. (NORSOK M-501, 2012, s ) Standardi M-501 antaa suositukset käytettävästä pinnoitusmenetelmästä eri käyttökohteille. Kohdeyrityksen rakenteet voidaan luokitella kuuluviksi joko ryhmään 4 tai 7. Ryhmä neljä sisältää kulku- ja hätäpoistumistiet ja ryhmä 7 ruostumattomat ja hiiliteräksiset rakenteet roiskealueella. Pintojen esikäsittelyvaatimukset ovat yhteneviä. Molemmat vaativat puhdistusasteen Sa2½, joka tarkoittaa hyvin huolellista suihkupuhdistusta. Riittävä puhdistusaste voidaan saavuttaa esimerkiksi sinkopuhdistuslaitteilla. Pinnankarheus tulee olla puhdistuksen jälkeen luokkaa μm (Medium G). Pinnoiteaineiksi suositellaan esimerkiksi epoksipohjaisia maaleja. (NORSOK M-501, 2012, s. 23, 25; SFS-EN ISO , 2007, s. 12.) 5.2 Det Norske Veritas Det Norske Veritas eli DNV on norjalainen luokituslaitos. DNV tarjoaa palveluitaan meri-, öljy- ja kaasu- sekä energiateollisuudelle. Erilaisten laiva- ja offshore- luokitusten lisäksi DNV toimii kolmantena osapuolena sertifioinneissa. DNV operoi yli 100 maassa keskeisenä tavoitteenaan taata rakenteiden turvallisuus luonnolle ja ihmisille. Det Norske Veritas on kehittänyt useita standardeja offshore- ja onshore-teollisuuteen. Näihin

57 57 standardeihin perustuu usein rakenteille ja materiaaleille asetetut vaatimukset arktisella alueella. (About DNV GL, 2014.) Terästen luokittelu ja merkintä Standardi DNV-OS-B101 asettaa vaatimukset hitsattaville kuumavalssatuille teräksille. Standardi luokittelee teräkset kolmeen pääryhmään (DNV-OS-B101, 2009, s. 13): normaalilujat teräkset (NS) lujat teräkset (HS) erikoislujat teräkset (EHS) Teräkset jakautuvat ryhmänsä sisällä normaaleihin hitsattaviin teräksiin sekä teräksiin, joiden hitsattavuutta on parannettu. Parannettua hitsattavuutta merkitään symbolilla W. Molemmat laadut on suunniteltu käytettäväksi samoissa sovelluksissa. Parannettu hitsattavuus tarkoittaa parannettua perusaineen hitsattavuutta. Terästen seosainepitoisuuksia on muutettu niin, että hitsattavuutta parantavia seosaineita kuten mangaania (Mn) ja alumiinia (Al) on lisätty. Hitsattavuutta heikentävien seosaineiden pitoisuuksia on puolestaan laskettu, esimerkkinä vähentynyt hiilipitoisuus. Seostuksen avulla pyritään vähentämään hitsauksen aiheuttamaa sitkeyden laskua liitosalueella. Parannettua hitsattavuutta edustavien terästen suurin sallittu myötölujuus on 500 MPa. (DNV-OS-B101, 2009, s. 13.) Taulukossa 10 esitetään myötölujuuteen perustuva terästen jaottelu. Terästen toimitustila voi olla valssattu (AR), normalisointivalssattu (NR), kuumavalssattu (TM), normalisoitu (N) tai karkaistu ja nuorrutettu (QT). (DNV-OS-B101, 2009, s )

58 58 Taulukko 10. DNV-standardin mukainen terästen myötölujuuteen perustuva jaottelu (DNV- OS-B101, 2009, s. 13). Käytettävillä materiaaleilla on oltava standardin EN mukainen ainestodistus tai joku muu vastaava hyväksytty todistus. DNV edellyttää, että kaikki tuotteet on varustettava selkein merkinnöin, jotta tuotteiden alkuperä voidaan tarvittaessa selvittää. Merkinnän on löydyttävä jokaisesta tuotteesta ainakin yhdestä kohtaa. Tunnistusmerkinnästä on löydyttävä seuraavat tiedot (DNV-OS-B101, 2009, s. 9, 15): valmistajan nimi tai tuotemerkki teräsluokka tunnistusnumero, sulatusnumero tai jokin vastaava merkintä, joka mahdollistaa materiaalin jäljitettävyyden. Tuotteiden jäljittämiseksi on materiaalin valmistajalta löydyttävä seuraavat tiedot toimittamistaan materiaaleista (DNV-OS-B101, 2009, s. 15): tilaajan nimi, tilausnumero valmistajan nimi tuotekuvaus ja teräslaatu valmistusprosessi, sulatusnumero ja koostumustiedot toimitustila aineenkoetustestien tulokset.

59 Normaalilujat teräkset Normaalilujien terästen suurin sallittu myötölujuus on 235 MPa. Alle 50 mm:n ainepaksuuksille iskusitkeys on vähintään 27 J lämpötiloissa 0 C, -20 C ja -40 C. Siirryttäessä suurempiin ainevahvuuksiin kasvaa iskusitkeysvaatimus. Normaalilujuisten terästen koostumustiedot ja eri luokissa sallitut toimitustilat esitetään standardissa DNV- OS-B101 kohdassa B. (DNV-OS-B101, 2009, s. 17.) Lujat teräkset Lujat teräkset käsittää myötölujuudeltaan MPa olevat teräkset. Alle 25 mm paksuja teräksiä on saatavana 265 MPa, 315 MPa ja 355 MPa myötölujuuksilla. Kaikkia lujia teräksiä on saatavilla iskusitkeyden testauslämpötiloilla 0, -20 C, -40 C ja -60 C. Myötölujuudeltaan 265 MPa olevien terästen vähimmäisiskusitkeysvaatimus on 27 J määritetyssä lämpötilassa. Myötölujuuden noustessa 390 MPa:iin kasvaa iskusitkeys vaatimus 41 J:een. Lujien terästen hitsauksessa käytettävän lisäaineen vetypitoisuus ei saa ylittää 10 ml/100 g. Lujien terästen koostumustiedot ja toimitustilat esitetään standardissa DNV-OS-B101 kohdassa C. (DNV-OS-B101, 2009, s ; DNV-OS-C401, 2013, s. 51.) Erikoislujat teräkset Erikoislujien terästen ryhmään kuuluvat teräkset ovat myötölujuudeltaan MPa. Myötölujuuden noustessa yli 500 MPa:n ovat sallitut toimitustilat termomekaanisesti valssattu (TM) tai karkaistu ja nuorrutettu (QT). Luokassa 420 MPa terästen iskusitkeysvaatimus on 28 J määritetyssä lämpötilassa ja luokassa 690 MPa 46 J. Huomionarvoista on, että terästen murtovenymä (A 5 ) vähenee lujuuden kasvaessa. Myötölujuudeltaan 690 MPa olevan teräksen murtovenymä on enää 14 %, kun lujalla 355 MPa olevalla teräksellä se on 21 %. Erikoislujien terästen hitsauksessa käytettävän lisäaineen vetypitoisuus ei saa ylittää 5 ml/100 g johtuen kasvaneesta kylmähalkeiluriskistä. Toimitustilat ja koostumustiedot kullekin teräkselle esitetään standardissa DNV-OS-B101 kohdassa D. (DNV-OS-B101, 2009, s. 19, 21; DNV-OS-C401, 2013, s. 51.)

60 Materiaalin valinta ja rakenteiden luokittelu Suunnittelulämpötilana käytetään lämpötilaa, jolle rakenne altistuu kuljetuksen, asennuksen ja käytön aikana. Yleisohjeena on, että suunnittelulämpötilan tulee olla sama tai matalampi kuin päivän alin lämpötila käyttökohteessa Sisäpuolisia rakenteita esimerkiksi lämmitetyissä huoneissa ei tarvitse suunnitella alle 0 C lämpötiloihin. Merenpohjassa kiinni olevien rakenteiden materiaalin valinnassa on huomioita vuoroveden vaikutus vesirajan korkeuteen. (DNV-OS-C101, 2011, s. 30.) DNV jakaa rakenteet kolmeen kategoriaan. Jaottelu tapahtuu vaurioitumisen aiheuttamien seurausten ja haurasmurtumavaaran mukaan. Kategoriat esitetään taulukossa 11. Rakenteiden jäännöslujuus vaikuttaa merkittävästi vaurioista aiheutuviin seurauksiin ja se on otettava huomioon määritettäessä tuotteen rakennekategoriaa. Kategorisoinnin tarkoituksena on määrittää materiaali ja tarkoituksenmukainen rakenteiden tarkastuslaajuus vaurioiden välttämiseksi. Tarkastuksilla pyritään löytämään rakenteista virheet, jotka voivat johtaa esimerkiksi väsymismurtumaan. Tarkastuksia jatketaan koko elinkaaren ajan. Olosuhteita haurasmurtuman syntyyn on pyrittävä välttämään niin suunnittelussa kuin valmistuksessa. Jokaista rakennekategoriaa vastaa oma tarkastusluokka taulukon 12 mukaisesti. (DNV-OS-C101, 2011, s ) Taulukko 11. Rakennekategoriat (DNV-OS-C101, 2011, s. 31). Rakennekategoria Periaate rakennekategorian määrittämiselle Erityinen Rakenneosille, joiden vaurioitumisella on merkittäviä seurauksia. Rakenteille, jotka ovat alttiita haurasmurtumalle. Ensisijainen Rakenneosille, joiden vaurioitumisella on merkittäviä seurauksia. Toissijainen Rakenneosille, joiden vaurioitumisella ei ole merkittäviä seurauksia.

61 61 Taulukko 12. Tarkastusluokat rakennekategorioiden mukaisesti (DNV-OS-C101, 2011, s. 31). Tarkastusluokka Rakennekategoria I Erityinen II Ensisijainen III Toissijainen Mikäli tuotannon laatu voidaan varmistaa testein tai aiempaan valmistuskokemukseen perustuen, voidaan tarkastuslaajuus tiputtaa tarkastusluokasta II luokkaan III. Väsymisen kannalta kriittiset osat rakennekategorioissa ensisijainen ja toissijainen tutkitaan tarkastusluokka I mukaan. Standardin DNV-OS-C101 taulukkoon D3 on koottu rakennekategoriasta, materiaalista ja käyttölämpötilasta riippuen suurin sallittu rakenteiden ainepaksuus. Terästen, joiden suurin sallittu ainepaksuus on alle 10 mm tai suositeltu käyttölämpötila yli 10 C, käyttöä ei suositella. (DNV-OS-C101, 2011, s ) Suunnitteluperusteet Rakenteiden ja komponenttien suunnittelun tulisi noudattaa mahdollisuuksien mukaan seuraavia periaatteita (DNV-OS-C401, 2013, s. 16): Kestävyys mekaanista ja kemiallista kulumista vastaan. Rakenteet ja konstruktiot on valmistettava hyväksytyillä tekniikoilla ja tavoilla. Tarkastus, huolto ja korjaus on voitava suorittaa. Haurasmurtumavaara on huomioitava tapauskohtaisesti ja vältettävä haurasmurtumaa edesauttavia tekijöitä. Kulkutasot, portaat ja porrastornit sekä työskentelytasot, jotka ovat yleisessä käytössä, tulee suunnitella niin, että ne kestävät 4 kn pistekuorman ja 4 kn/m 2 jakautuneen kuorman. Mikäli edellä mainitut konstruktiot on tarkoitettu vain tarkastusten suorittamista varten, ovat suunnitteluarvot 3 kn ja 3 kn/m 2. (DNV-OS-C101, 2011, s. 23.) Kaikkien kelluvien offshore-yksiköiden eri osa-alueet luokitellaan rakennekategoriohin standardin DNV-OS-C102 taulukon B1 mukaan. Taulukossa portaat ja porrastornit on sijoitettu rakennekategorialuokkaan toissijainen. Materiaalit on puolestaan jaoteltu luokkiin I-IV. Rakennekategoria toissijainen sisältää materiaaliluokat I ja II, ensisijainen luokan III ja erityinen luokan IV. Kelluvissa konstruktiossa käytettävä teräslaji määräytyy

62 62 näin ollen rakennekategorian, materiaaliluokan ja ainepaksuuden mukaan. (DNV-OS- C102, 2012, s. 14.) DNV:n turvallisuusstandardin DN-OS-A101 mukaan kulkutasojen, portaiden ja tikkaiden astinpinnat on suunniteltava pitäviksi. Suunnittelussa on huomiota myös, että pinnat pääsevät kuivumaan ja niiden puhdistaminen liasta kuten öljystä ja mudasta on helppoa. Kaiteet vaaditaan, mikäli tasojen välinen korkeusero on yli 0,8 m. Kaiteet on suunniteltava riittävän lujiksi ja korkeiksi putoamisen ehkäisemiseksi. (DNV-OS-A101, 2011, s ) Kaikkien kylmissä olosuhteissa toimivien offshore-yksiköiden hätäpoistumistiet on suunniteltava niin, että niiden käyttäminen on mahdollista myös kovassa -45 C pakkasessa. Jään poistaminen portaista on oltava mahdollista ilman portaiden vahingoittamista. Pystysuorista tikkaista, jotka ovat 3,5 m tai alle, täytyy poistaa jää säännöllisesti. Yli 3,5 metrin tikkaiden jäätyminen on pyrittävä ehkäisemään. Taulukossa 13 esitetään ulkopuolisiin rakenteisiin kuten kulkutasoihin ja portaisiin kerääntyvän jään paino, joka on huomioitava suunnittelussa. (DNV-OS-A201, 2013, s. 29, 69, 72.) Taulukko 13. Sovelletut jääkuormat ulkopuolisille rakenteille (DNV-OS-A201, 2013, s. 59) Hitsien laaduntarkastus Ennen varsinaisen tuotannon aloittamista tulee valmistajan esittää NDTtarkastussuunnitelma sekä todentaa NDT-tarkastajien pätevyydet ostajalle. NDTtarkastajien tulee olla pätevöityjä standardin ISO 9712 tason 2 vaatimusten tai sitä

63 63 vastaavien luokitusten (SNT-TC-1A tai ACCP) mukaisesti. Taulukossa 14 esitetään NDTtarkastusten laajuus riippuen rakennekategoriasta, tarkastusluokasta ja liitostyypistä. Tarkastusluokka tulee merkitä myös valmistuspiirustuksiin. Jos NDT-tarkastuksilla varmistetaan riittävän alhainen virheiden esiintymistiheys, voidaan ensisijaisen rakennekategorian tarkastuslaajuutta laskea. Toisaalta myös toistuvat virhehavainnot voivat kasvattaa tarkastuslaajuutta. Havaittaessa vakavia virheitä, kuten halkeamia, tulee tutkia kaikki samalla hitsausohjeella tehdyt tuotteet. (DNV-OS-C401, 2013, s ) Taulukko 14. NDT-tarkastusten vähimmäislaajuus eri liitoksille (DNV-OS-C401, 2013, s. 57) Hitsausohjeen hyväksyminen Hitsausohjeet (WPS) hyväksytään kahdella tavalla. Ensimmäinen tapa on hitsausohjeen hyväksyminen menetelmäkokeella. Toinen tapa hyväksyä hitsausohje perustuu muiden hyväksyttyjen hitsausohjeiden käyttöön. Hitsausohje laaditaan tässä tapauksessa muiden hitsausohjeiden pohjalta. Hyväksyttäminen menetelmäkokeella vaaditaan, jos hitsi kuuluu rakennekategoriaan erityinen, ensisijainen tai se on päittäisliitos kategoriassa toissijainen. Myös kaikki alumiinin liitokset, sekä valun ja valssatun teräksen väliset liitokset vaativat menetelmäkokeen mukaisen hyväksyttämisen. (DNV-OS-C401, 2013, s. 17, 50.)

64 64 Kohdeyrityksen valmistamat alumiinituotteet vaativat aina menetelmäkokeella hyväksytyn hitsausohjeen. Yrityksen teräksestä valmistamat rakenteet sijoittuvat luokkaan toissijainen ellei tilauksen yhteydessä toisin määritellä. Näin ollen hitsaus ei vaadi menetelmäkokeella hyväksyttyä hitsausohjetta, paitsi jos kyseessä on päittäisliitos. Rakennekategoria toissijainen tarkoittaa myös, että konstruktioiden tarkastusluokka on III eli laajuudeltaan suppein. Menetelmäkoekappaleen hitsaus tulee suorittaa tuotantohitsausta vastaavissa olosuhteissa. Hitsauksessa ja oheistoiminnoissa käyttävien laitteiden kalibroinnista on varmistuttava ennen hitsausta standardin ISO mukaisesti. Menetelmäkoekappale hitsataan alustavan hitsausohjeen (pwps) mukaan. Alustavaa hitsausohjetta voidaan muuttaa ja tarkentaa kesken hitsauksen, kunnes saadaan haluttu hitsaustulos. Menetelmäkoekappaleen tulee täyttää sille asetetut minimilaatuvaatimukset, jotta alustava hitsausohje voidaan hyväksyä hitsausohjeeksi. (DNV-OS-C401, 2013, s. 16.) Mikäli koekappale ei täytä mitä tahansa NDT-testauksen laatuvaatimusta, hitsataan yksi uusi koekappale ja testataan se. Jos koekappale ei vieläkään täytä vaatimuksia, tehdään uusi alustava hitsausohje. Mikäli ainetta rikkovista testeistä jokin muu kuin iskusitkeyskoe ei täytä vaatimuksia, tehdään yhtä hylättyä testiä kohtaan kaksi uusintatestiä samasta kappaleesta. Jos kappaleesta ei voi tehdä uusia koepaloja, hitsataan uusi menetelmäkoekappale käyttäen samaa alustavaa hitsausohjetta. Alustavaa hitsausohjetta ei voida hyväksyä hitsausohjeeksi, jos uusintatestit eivät täytä laatuvaatimuksia. (DNV-OS- C401, 2013, s. 16.) Menetelmäkokeen hyväksymispöytäkirjalla (WPQR) todennetaan ostajalle hitsausohjeiden hyväksyntä. Ennen tuotannon aloittamista hyväksymispöytäkirja tulee esittää ostajalle. Hyväksymispöytäkirjasta tulee löytyä tiedot käytetystä materiaalista, lisäaineesta, hitsausparametreista, lämpökäsittelyistä, rikkomattomista ja rikkovista aineenkoetuksista ja korroosionkestotesteistä. Lisäksi pöytäkirjaan tulee merkitä kaikki lopputuloksen kannalta oleelliset muuttujat. Valmistajan tulee liittää pöytäkirjaan myös sertifikaatit lisäaine- ja perusmateriaalista. (DNV-OS-C401, 2013, s )

65 65 Hitsausohje voidaan siirtää alihankkijan käyttöön, mikäli alihankkijan hitsauksen koordinointi on toteutettu ISO mukaisesti ja alihankkijalla on implementoitu ISO mukainen laadunhallintajärjestelmä. Hitsausohjeen käyttöä rajoittavat muutokset perusmateriaalissa, ainepaksuuksissa, putkien halkaisijoissa, lisäaineessa, hitsausasennossa, liitostyypissä ja hitsausolosuhteissa. Seuraavaksi on listattu rajoituksia hitsausohjeen käytöstä perusmateriaaliin liittyen. Yksityiskohtaisemmat tiedot muiden rajoittavien tekijöiden vaikutuksista on esitetty standardissa DNV-OS-C401 kohdassa 3.6. Myös silloitushitsaus on tehtävä sallittujen muutosten puitteissa. (DNV-OS-C401, 2013, s , 51.) Seuraavat muutokset perusmateriaalissa edellyttävät uuden hitsausohjeen hyväksyttämistä (DNV-OS-C401, 2013, s ): Materiaaliominaisuuden muutos, joka vaikuttaa hitsattavuuteen ja mekaanisiin ominaisuuksiin i) Toimitustilan muutos karkaistusta ja nuorrutetusta (QT) mihin tahansa muuhun toimitustilaan ja toisinpäin. ii) Toimitustilan muutos kuumavalssatusta (TM) mihin tahansa muuhun toimitustilaan, mutta ei toisinpäin. iii) Parannetuilla hitsausominaisuuksilla olevat teräksen vaihtaminen tavalliseen teräkseen. Lujuus- ja iskusitkeysluokan vaikutus valssatuilla levyillä i) Normaaleille ja lujille teräksille hitsausohje on pätevä testatulla lujuusluokalla ja kahdella matalammalla myötölujuusluokalla. ii) Erikoislujilla teräksillä hitsausohje on pätevä testatulla lujuusluokalla ja yhtä luokkaa alemmalla lujuudella. iii) Suurempi iskusitkeysluokka pätevöittää matalammille iskusitkeysluokille, mutta ei toisinpäin Aineenkoetus menetelmäkoekappaleille Taulukkoon 15 on koottu menetelmäkoekappaleille tehtävät tarkastukset. NDT-testauksen hyväksymisrajat ovat standardin ISO 5817 mukaisen hitsiluokan B vaatimukset, ellei toisin sovita. Vetokokeessa saavutettu myötölujuus ei saa alittaa testattavalle teräkselle ilmoitettua teräsluokan mukaista myötölujuutta. Taivutuskoe hyväksytään, mikäli

66 66 koekappaleesta ei taivutuksen jälkeen löydy yhtään yli 3 mm kokoista virhettä. Makrohie ei saa sisältää halkeamia eikä vajaata hitsautumissyvyyttä. Muut laatuvirheet makrohien osalta tutkitaan perustuen hitsiluokan B vaatimuksiin. Vaatimukset eri liitosmuotojen hitsien profiileille annetaan kansainvälisen luokitusjärjestön IACS:n numeron 47 laatustandardissa. (DNV-OS-C401, 2013, s ) Taulukko 15. Menetelmäkoekappaleelle tehtävät testaukset (DNV-OS-C401, 2013, s. 18, 22-25). Kovuuskokeet tehdään standardin EN ISO mukaan. Myötölujuudeltaan alle 265 MPa olevien terästen kovuutta ei tarvitse testata. Suurin sallittu kovuus on 350 HV10 materiaaleille, jotka ovat lujuudeltaan 420 MPa tai sen alle. Materiaaleille MPa maksimikovuus on 420 HV10. Yksipalkopienahitsille kovuusraja on materiaalista riippumatta 380 HV10. Iskukokeita ei vaadita materiaaleilta, joiden ainepaksuus on alle 6 mm. Charpyn V-kokeen testauslämpötila tulee olla sama kuin teräsluokan mukaan ilmoitettu iskusitkeyslämpötila. Iskusitkeysarvot hitsissä, sularajalla ja muutosvyöhykkeellä tulee täyttää samat vaatimukset kuin perusmateriaalin poikittaisen

67 67 iskukokeen vaatimukset. Yksittäisen koesauvan iskusitkeysarvo pitää olla vähintään 70 % vaatimuksesta, kun kolmen sauvan keskiarvo täyttää iskusitkeysvaatimuksen. Mikäli kolmen sauvan keskiarvo ei täytä iskusitkeysvaatimusta, tehdään kolme uutta koesauvaa. (DNV-OS-C401, 2013, s ) CTOD-murtumissitkeystestaus vaaaditaan hitsausliitoksille, joihin kaikki seuraavat ehdot pätevät (DNV-OS-C101, 2011, s. 34): suunniteltu käyttölämpötila on alle + 10 C liitos on erityisalueella ainakin toinen liitettävistä materiaaleista on myötölujuudeltaan (SMYS) 420 MPa tai enemmän. Hyväksymiskriteeri CTOD-testille on vähintään 0,15 mm (DNV-OS-C401, 2013, s. 32). Rakennekategoriassa erityinen silmämääräisen ja NDT-tarkastusten hyväksymiskriteereinä hitseille ovat standardin ISO 5817 mukaisen hitsiluokan B vaatimukset. Kategorioissa ensisijainen ja toissijainen hyväksymiskriteerit ovat edellä mainitun standardin hitsiluokan C mukaiset vaatimukset. Hitsin täytyy täyttää kaikkien NDT-tarkastusten asettamat kriteerit. Jos hyväksymiskriteerit eivät täyty, tehdään korjaushitsaus. Korjattu hitsi tarkastetaan uudelleen 100 mm pituudelta korjauskohdasta molempiin suuntiin. (DNV-OS- C401, 2013, s. 58.) Hitsaajien pätevyys Käsinhitsauksen ja osittain mekanisoidun hitsauksen osalta vaaditaan hitsaajilta pätevyys standardin ISO 9606 mukaisesti. Mekanisoidun hitsauksen ja automaattihitsauksen osalta hitsausoperaattorilla on oltava riittävä asiantuntemus koneiden ja laitteiden käytöstä sekä ohjelmoinnista hitsausohjeen mukaisesti. Asiantuntemus ja riittävä harjoitus on pystyttävä todistamaan. Hitsaajien pätevyys on osoitettava 6 kuukauden välein. (DNV-OS-C401, 2013, s. 40.) Pulttiliitokset Pultit ja mutterit, joita käytetään turvallisuuden kannalta oleellisissa rakenteissa, tulee vastata standardin ISO 898 vaatimuksia. Pulttien ja mutterien, joilta vaaditaan yli 490 MPa:n myötölujuuksia, valmistusmateriaaliksi suositellaan seosteräksiä (esimerkiksi % Cr

68 68 + % Mo + % Ni 0,5) ja toimitustilaksi karkaistua ja nuorrutettua. Pulttien lujuusominaisuudet eivät saa ylittää standardin ISO 898 luokan 10.9 vaatimuksia, kun käyttökohde altistuu ilman vaikutuksille. Vedenalaisten pulttiliitosten lujuusominaisuudet eivät saa ylittää luokan 8.8 vaatimuksia. (DNV-OS-C401, 2013, s. 64.) Alumiini Meriteknisissä rakenteissa käytettävät alumiinit on listattu taulukkoon 16. Alumiineja toimitetaan levyinä, profiileina, putkina tai tankoina, joiden ainepaksuudet vaihtelevat 3 50 mm. Alumiinien merkintä jäljitettävyyden takaamiseksi noudattaa samoja sääntöjä kuin teräksillä. Standardiin DNV-OS-C401 on koottu tiedot kunkin alumiinin mekaanisista ominaisuuksista, ainepaksuuksista, seosaineista ja toleransseista. (DNV-OS- C401, 2013, s ) Taulukko 16. DNV:n hyväksymät alumiinit ja toimitustilat (DNV-OS-C401, 2013, s ). Alumiinin hitsausohjeiden hyväksyttäminen tehdään samoin periaattein kuin terästen. Alumiinin hitsausohje hyväksytetään aina menetelmäkokeella. Menetelmäkoekappaleelle tehtävät testit alumiinin hitsauksen osalta esitetään taulukossa 17. Keskeisimpänä erona teräksen testaukseen voidaan nähdä isku- ja murtokokeiden puuttuminen kokonaan. Standardi DNV-OS-C401 antaa myös lisäainesuositukset eri alumiinien hitsaukseen.

69 69 Taulukko 17. Alumiinin menetelmäkoekappaleelle tehtävät testaukset (DVN-OS-C401, 2013, s ). Ellei toisin sovita, ovat NDT-tarkastuksen hyväksymisrajat standardin ISO hitsiluokan B mukaiset. Erityisesti hitsin aloitus- ja lopetuskohtia on tutkittava huolella hitsin profiilin ja sulamisen kannalta. Hitsin profiilin on oltava säännöllinen eikä kupu saa olla liian korkea. Halkeamia ja vajaata hitsautumissyvyyttä ei sallita. Jos testikappale ei läpäise NDT-tarkastusta, hitsataan yksi uusi testikappale ja testataan se. Mikäli uusi koekappale ei läpäise testiä, ei hitsausohjetta hyväksytä. (DNV-OS-C401, 2013, s ) Hyväksytty hitsausohje mahdollistaa ohjeen soveltamisen myös tiettyjen muuttujien puitteissa. Muuttujat, jotka asettavat rajoituksia soveltamiselle, ovat perusmateriaali, paksuus, putkien halkaisijat, putkien liitoskulma, lisäaine, hitsausasento, liitostyyppi ja hitsausolosuhteet. Tarkemmat tiedot muuttujista esitetään standardin DNV-OS-C401 kohdassa 4.8. (DNV-OS-C401, 2013, s. 35.)

70 Ruostumaton teräs Ruostumattomien terästen hitsausohjeet hyväksytetään kuten rakenneterästen. Hyväksymisrajat eri testausmenetelmille on rakenneteräksiä vastaavat, lukuun ottamatta muutamia seuraavaksi esiteltäviä poikkeuksia. Austeniittisille ruostumattomille teräksille ei tarvitse tehdä iskusitkeystestausta, jos suunnittelulämpötila on yli -105 C. Hitsausohje on pätevä muutoin samoin ehdoin kuin rakenneteräksillä, mutta teräsluokan vaihtaminen korkeampaan myötölujuusluokkaan tai iskusitkeysluokkaan johtaa menetelmäkokeen uusimiseen. (DNV-OS-C401, 2013, s. 37.) Austeniittis-ferriittisten (duplex) terästen hitsauksessa tulee käyttää nikkeli- ja typpiseosteista lisäainetta. Suoja- ja juurikaasu eivät saa sisältää vetyä eikä niiden kastepiste saa olla korkeampi kuin -30 C. Duplex terästen iskusitkeystestauksen suorituslämpötila on suunnittelulämpötila tai -20 C, riippuen siitä, kumpi on matalampi. Vähimmäisiskusitkeysvaatimus on 27 J. Makrohiessä ei saa olla raerajakarbideja eikä suotaumia. Hitsin ferriittipitoisuus pitää olla % ja se määritetään standardin ASTM E 562 mukaisesti. Duplex terästen hitsausohje on pätevä samoin ehdoin kuin rakenneterästen paitsi, että ±15 % muutos lämmöntuonnissa vaatii menetelmäkokeen uusimisen. (DNV-OS-C401, 2013, s ) Korroosiosuojaus Offshore-teollisuudessa koneiden ja laitteiden käyttöikä voi olla yhtäjaksoisesti yli 10 vuotta, eikä korroosionkestoa voida usein parantaa tuotteen käyttöiän aikana. Tärkeimmät huomioon otettavat tekijät riittävän korroosiosuojan aikaansaamiseksi ovat (DNV-RP- B101, 2007, s. 11): pinnoitusmateriaalin kelpoisuus ja valinta pinnan esivalmistelut ja puhdistus. Pinnoitusmenettelystä tulee laatia seloste, josta käy ilmi esimerkiksi esikäsittelyvaatimukset, pinnoituskerrosten lukumäärä ja paksuudet sekä lopputarkastusvaatimukset. Pinnoitusmenetelmä ja pinnoitusmateriaalit hyväksytään käytettäväksi joko aikaisempaan kokemukseen perustuen tai testausohjelman läpäisyn jälkeen. Pintakäsittelyyn on saatavilla useita erilaisia maaleja, joita voidaan käyttää kylmissä ja merellisissä olosuhteissa. Tyypillisesti käytettävät maalit ovat epoksi-,

71 71 polyuretaani-, vinyyli- tai sinkkimaaleja. Lopullisen hyväksynnän käytettävistä pinnoitteista tekee tilaaja, esitettyjen selosteiden ja testien sekä materiaalitietojen perusteella. (DNV-RP-B101, 2007, s ) Pintojen esikäsittely on suurin yksittäinen tekijä, joka vaikuttaa pinnoitteen kestävyyteen. Pinnat tulee käsitellä leikkaussärmien ja muiden pintavirheellisten alueiden osalta standardin ISO esikäsittelyasteen P3 mukaisesti. Aste P3 tarkoittaa erittäin perusteellista esikäsittelyä, jolloin esimerkiksi terävien särmien pyöristyssäde tulee olla 2 mm eikä hitsausroiskeita sallita. Käsiteltävien pintojen puhdistusaste on oltava Sa2½ tasolla ja pinnankarheuden välillä μm. Alumiini ja ruostumaton teräs eivät vaadi pintojen maalausta ellei toisin määrätä. (DNV-RP-B101, 2007, s ) Pintojen korroosiosuojauksesta annetut ohjeet eivät suoraan koske kohdeyrityksen tuotteitta, mutta ohjeita voidaan soveltaa teräs- ja alumiinituotteille, joiden käyttöympäristö on merellinen ja kylmä. Esitetyt määräykset koskevat maalaamista. Muut korroosiosuojausmenetelmät kuten katodinen suojaus on käytössä lähinnä vedenalaisille rakenteille. 5.3 Russian Maritime Register of Shipping Russian Maritime Register of Shipping eli RMRS tai RS on venäläinen luokituslaitos. Sen tavoitteena on taata turvallinen liikennöinti merellä ja sisävesillä sekä edistää ympäristönsuojelua. RS kehittää jatkuvasti sääntöjä ja ohjeita tavoitteidensa edistämiseksi. RS:n julkaisemat ohjeistukset ja säännöt mukautuvat usein kansainvälisiin standardeihin. RS:n säännöt on tarkoitettu hyödynnettäväksi erilaisten laivojen ja öljyn- sekä kaasuntuotantoon liittyvien rakenteiden suunnittelussa ja valmistuksessa. RS toimittaa myös sertifikaatteja. (About RS, 2014; RS Publications, 2014.) Käytettävät rakenneteräkset RS jakaa rakenneteräkset luokkiin normaalit, lujat ja erikoislujat teräkset. Normaalit teräkset ovat myötölujuudeltaan vähintään 235 MPa, kun lujat teräkset ovat 315, 355 ja 390 MPa. Erikoislujien terästen myötölujuus on vähintään 420 MPa. Toimitustila riippuu teräskohtaisesti lujuudesta ja paksuudesta. Teräksiä toimitetaan valssattuina (AR),

72 72 normalisoituina (N), normalisointivalssattuina (NR), kuumavalssattuina (TM), nopeutetusti jäähdytettyinä (AcC) sekä karkaistuna ja nuorrutettuna (QT). (Materials, 2014, s ) Rakenneterästen luokittelu ei suoranaisesti koske portaita, porrastorneja tai kulkutasoja, vaan se perustuu laivan rungossa ja kantavissa rakenteissa käytettävien terästen luokitteluun. Taulukkoon 18 on koottu normaalien, lujien ja erikoislujien rakenneterästen menetelmäkoekappaleiden iskusitkeydet. Terästen iskusitkeydet on testattu lämpötilavälillä C. Taulukko 18. Normaalien, lujien ja erikoislujien rakenneterästen vähimmäisiskusitkeysvaatimukset lämpötiloissa C (Technical Supervision during Manufacture of Materials, 2013, s. 129). Taulukon 18 iskusitkeysarvot on mitattu sularajalta ja hitsin muutosvyöhykkeeltä. Teräsluokan nimessä oleva kirjain ilmoittaa teräksen iskusitkeyden testauslämpötilaa. Normaaleilla rakenneteräksillä kirjaimia vastaavat testauslämpötilat ovat A +20 C, B 0 C, D -20 C ja E -40 C. Lujilla ja erikoislujilla rakenneteräksillä on käytössä myös luokka F, joka tarkoittaa -60 C testauslämpötilaa. Symboli W ilmaisee parannettua hitsattavuutta. Menetelmäkoekappaleelle tehtävien iskukokeiden testauslämpötilat voivat kuitenkin vaihdella riippuen testauskohdasta ja teräsluokasta. Teräsrakenteissa käytettävillä teräksillä on oltava luokituslaitoksen sertifikaatti (Register Certificate) tai luokituslaitoksen hyväksymät valmistajan valmistusdokumentit. Lisäksi

73 73 teräksen valmistajalla tulee olla laatusertifikaatti (Manufacturer Quality Certificate). Teräkset testataan ja tarkastetaan veto- ja iskukokeilla. Iskukokeet voidaan suorittaa sekä Charpyn-U että -V kokeina. Alhaisiin käyttölämpötiloihin suunniteltujen terästen testaukseen käytetään testausparametreja NDT, DWTT ja CTOD. Teräkset tulee merkata selkeästi jäljitettävyyden takaamiseksi. Merkkaaminen tapahtuu yleensä leimalla, josta käy ilmi ainakin teräksen laatu, valmistajan nimi sekä laaduntarkastaja. (Materials, 2014, s , 379.) Suunnitteluohjeet ja vaatimukset Laivoissa ja offshore-porausyksiköissä käytettäville portaille, tikkaille ja kaiteille on luokituslaitos asettanut ehtoja. Portailla tulee olla teräsrunko tai muusta luokituslaitoksen hyväksymästä rakennusmateriaalista valmistettu runko. Mikäli laivalla tai porausyksikössä työskentelee yli 60 henkilöä, täytyy portaiden leveyden olla vähintään 900 mm. Lisäksi portaat on varustettava molemmilta puolilta kaiteilla. Portaiden vähimmäisleveyttä tulee lisätä 10 mm jokaista henkeä kohden, kun henkilömäärä ylittää 90. Kaiteiden välinen etäisyys saa kasvaa korkeitaan 1800 mm:iin. (Equipment, Arrangements and Outfit, 2014, s ) Portaiden yhtäjaksoinen nousu ilman tasanteita saa olla korkeintaan 3,5 metriä. Tasanteiden pinta-alan vähimmäisvaatimus on 2 neliömetriä. Nousukulma täytyy olla 45. Hätäpoistumisteinä olevien portaiden vähimmäisleveys on 700 mm ja kaide on oltava ainakin toisella sivulla. Porrastikkaiden kaltevuuskulma on yleensä 45, mutta ei kuitenkaan yli 50. Ahtaissa tiloissa ja koneiden yhteydessä porrastikkaiden kaltevuuskulmaa voidaan kasvattaa 60 :een. Pystysuorien tikkaiden ja askelmien vähimmäisleveys on 300 mm. Kulkureitit voidaan joutua merkkaamaan valoilla tai pimeässä hohtavilla tarroilla. (Equipment, Arrangements and Outfit, 2014, s ) Hätäpoistumisteillä täytyy olla käsijohde tarjolla mahdollisuuksien mukaan koko poistumistien matkalla. Käsijohteiden ja kaiteiden täytyy olla riittävän lujia kestämään sekä vaaka-suuntainen että alaspäin suuntautunut jakautunut kuorma, 750 N/m. Turvakaiteiden vähimmäiskorkeus on yksi metri. Kaidetolppien välinen etäisyys ei saa ylittää 1,5 metriä ja vähintään joka kolmannen kaidetolpan on oltava kiinteä. Kaiteiden tulee olla jäykkiä rakenteita. Kaiteen alimman välijohteen ja kävelytason välinen etäisyys

74 74 saa olla korkeintaan 230 mm. Muut välijohteiden väliset etäisyydet voivat olla korkeintaan 380 mm. (Equipment, Arrangements and Outfit, 2014, s ) Kohdeyrityksen valmistamien tuotteiden materiaalinvalintaan RS ei aseta erityisvaatimuksia. Rakenteiden materiaaliominaisuuksien on vastattava RS:n hyväksymien suunnitteludokumenttien materiaalivaatimuksia. Luokituslaitos ei valvo materiaalin valmistusprosessia, kun materiaalia käytetään portaiden, tikkaiden tai kaiteiden valmistukseen. (Equipment, Arrangements and Outfit, 2014, s. 215.) Portaat, tikkaat, kaiteet ja hoitotasot kuuluvat luokituslaitoksen teknisen valvonnan piiriin. Edellä mainittujen rakenteiden tapauksissa valvonta käsittää teknisten dokumenttien tarkastuksen. Teknisillä dokumenteilla tarkoitetaan kokoonpanopiirustuksia, laskelmia ja yksityiskohtaisia piirustuksia. Yksityiskohtaiset piirustukset tarvitaan, mikäli osat tai kokoonpanot eivät ole suunniteltu standardien mukaisesti. Ennen tuotannon aloittamista täytyy yrityksen toimittaa RS:n haarakonttoriin luokituslaitoksen hyväksymät tekniset dokumentit. (Equipment, Arrangements and Outfit, 2014, s. 215; Equipment, Arrangements and Outfit, 2013, s. 168, 175.) Rakenteisiin kertyvän jään massa arvioidaan 30 kg/m 2 suuruiseksi (Stability, 2014, s. 310). Rakenteiden, jotka ovat jatkuvasti tai jaksoittain alttiina ulkoilmalle, suunnittelulämpötila (T d ) määräytyy ulkoilman lämpötilan (T A ) perusteella. Käyttökohteen ulkoilman lämpötila muodostetaan laskemalla päivittäisten minimilämpötilojen keskiarvo viiden vuoden jaksolta. Alimpana suunnittelulämpötilana käytetään -40 C:ta. Suunnittelulämpötila ei voi olla alle ulkoilman lämpötilan, mutta sitä voidaan tarkentaa korjauskertoimilla rakenteen sijainnista ja käyttötarkoituksesta riippuen. (Hull, 2014, s. 49, 51.) Hitsaustuotanto Luokituslaitoksen on hyväksyttävä käytettävät lisäaineet ja hitsausmenetelmät. RS valvoo myös, että laaduntarkastusmenetelmät ja hyväksymiskriteerit ovat tarkoituksenmukaisia. Lisäaineen valintaan luokituslaitos on laatinut omat suosituksensa. Lisäainesuositukset on laadittu kaikille rakenneteräslaaduille mukaan lukien myös erittäin matalissa lämpötiloissa käytettävät teräkset. (Welding, 2014, s. 496, ) Hitsaajien pätevyyskokeilla varmistetaan, että hitsaajat ovat kykeneviä hitsaamaan RS:n teknisen valvonnan alaisia

75 75 rakenteita. Pätevyyskokeeseen kuuluu teoria- ja käytännönkoe, jotka läpäisemällä luokituslaitos myöntää hitsaajan pätevyyden (Welder Approval Test Certificate). Kansainvälisten tai kansallisten standardien (EN 287, ISO 9606, ASME Sec. IX, ANSI/AWS D1.1) mukaan pätevöityneelle hitsaajalle voi luokituslaitos myöntää luvan hitsata luokituslaitoksen valvonnan alaisia rakenteita. Hitsaajan pätevyys tutkitaan kuitenkin tapauskohtaisesti luokituslaitoksen toimesta, hitsattavan rakenteen ja suoritetun pätevyyskokeen perusteella. (Welding, 2014, s. 582.) Kylmissä olosuhteissa suoritettavassa hitsauksessa hitsauskohta on suojattava vedolta ja sateelta. Hitsausrailo on puhdistettava ja pidettävä kuivana. Lisäksi on varmistuttava, ettei hitsin liian nopea jäähtyminen johda epäsuotuisiin mikrorakenteisiin. Edellyttäen, että saadaan aikaan riittävän laadukas hitsi, voidaan normaaleita ja lujia rakenneteräksiä hitsata vielä -25 C ilman esilämmitystä, kun ainevahvuus on 20 mm ja lisäaineen soveltuvuus olosuhteisiin on varmistettu. (Welding, 2014, s. 497.) Hitsaus on pyrittävä suorittamaan niin, että siitä aiheutuvat rakenteen sisäiset jännitykset ja muodonmuutokset jäisivät mahdollisimman pieniksi. Silloitushitsit hitsaa pätevöitynyt hitsaaja. Silloitushitseissä ei myöskään saa olla virheitä, jotka voivat heikentää lopullisen hitsin laatua. (Welding, 2014, s. 498.) Hitsausohjeen hyväksyttäminen Ellei toisin määrätä, on hitsausohjeet (WPS) hyväksytettävä menetelmäkokeella (ISO ) menetelmäkoepöytäkirjaan (WPQR) perustuen. Luokituslaitos voi erikseen sallia hitsausohjeen hyväksyttämisen esituotannollisella hitsauskokeella (ISO 15613) tai standardihitsausohjeella (ISO 15612). Joissakin tapauksissa luokituslaitos voi vaatia ylimääräistä menetelmäkokeen mukaista testausta myös tuotannon aikana. Menetelmäkoekappaleiden tarkastus tehdään taulukon 19 vaatimusten mukaisesti. (Technical Supervision during Manufacture of Materials, 2013, s. 115, 121.)

76 76 Taulukko 19. Menetelmäkoekappaleelle tehtävät tarkastukset ja tarkastuslaajuus liitosmuodon mukaan (Technical Supervision during Manufacture of Materials, 2013, s. 121). Taivutustestin jälkeen koekappaleessa ei saa olla yli 3 mm kokoisia virheitä. Taivutus tehdään 180 :n kulmaan. Makrohiessä ei saa olla halkeamia, vajaata hitsautumissyvyyttä, epätäydellistä sulamista, liian suurta reunahaavaa tai liikaa huokosia. (Technical Supervision during Manufacture of Materials, 2013, s ) Taulukossa 20 esitetään rakenneteräksien hyväksymiskriteerit vetokokeille ja kovuuskokeille. Menetelmäkoekappaleen NDT-tarkastusten hyväksymisrajoja ei ole määritelty erikseen luokituslaitoksen ohjeissa kohdeyrityksen tuotteille.

77 77 Taulukko 20. Hyväksymiskriteerit menetelmäkoekappaleen veto- ja kovuuskokeille (Technical Supervision during Manufacture of Materials, 2013, s. 128) Hitsien laaduntarkastus Laaduntarkastus konstruktioille, jotka ovat luokituslaitoksen valvonnan piirissä, tulee suorittaa luokituslaitoksen hyväksymän testaussuunnitelman ja testausdokumenttien mukaisesti. Testaussuunnitelmasta käy ilmi kaikki laaduntarkastuksessa käytettävät menetelmät, hyväksymisrajat, yksityiskohtaiset tiedot tutkittavista liitoksista sekä sovellettavat standardit. Testauksista laaditaan dokumentit, joissa on kaikki oleellinen tieto liitosten vaatimustenmukaisuudesta. Testausdokumentit allekirjoitetaan testaajan sekä laaduntarkastuksesta vastuussa olevan henkilön toimesta. NDT-tarkastusdokumentit tulee säilyttää vähintään 5 vuotta ja ne on tarvittaessa toimitettava luokituslaitokselle (RS). (Welding, 2014, s. 509.) Liitosten NDT-tarkastus suoritetaan seuraavilla menetelmillä: silmämääräinen tarkastus (VT), ISO tunkeumanestetarkastus (PT), ISO 3452 magneettijauhetarkastus (MT), ISO radiografinen kuvaus (RT), ISO ultraäänitarkastus (UT), ISO Liitosten tarkastelussa voidaan ISO-standardin sijasta käyttää myös muita kansainvälisiä tai kansallisia luokituslaitoksen hyväksymiä standardeja. NDT-henkilöiden pätevöinti ja sertifiointi suoritetaan standardin ISO 9712 mukaisesti (Welding, 2014, s. 508).

78 78 Tarkastuslaajuus ja hyväksymisrajat määräytyvät luokituslaitoksen säännöissä Rules for the Classification and Construction of Sea-Going ships osan XIV kappaleen 3 taulukoiden mukaan. Taulukot määräävät tarkastuslaajuudet laivanrunkorakenteille, putkistoille, höyrykattiloille, paineastioille ja lämmönvaihtimille. Muille rakenteille käytettävät NDTtarkastusmenetelmät ja tutkittavat hitsiosuudet määritellään sopimuksen yhteydessä. Lähtökohta on, että kaikki hitsit tulee tutkia koko matkalta silmämääräisesti. Hyväksymisrajat eri hitsausvirheille perustuvat standardin ISO 5817 mukaisiin hitsiluokkiin. (Welding, 2014, s. 510, 521.) Radiografisten ja ultraäänitestien avulla määritetään hitsausvirheiden prosentuaalista virheosuutta liitoksissa. Virheosuudet on laskettava vähintään kerran puolessa vuodessa ja tulokset on raportoitava luokituslaitokselle. Laskenta suoritetaan seuraavasti (Welding, 2014, s. 521.): (4) Kaavassa 4 K tarkoittaa virheprosenttia, l on hitsin pituus, jolla virheitä on esiintynyt ja s on koko tutkitun hitsin pituus. Jos virheprosentti on yli 5, on luokituslaitos oikeutettu kasvattamaan hitsien tarkastuslaajuutta Ruostumaton teräs Taulukkoon 21 on koottu teräsrakentamisessa käytettäviä ruostumattomia teräksiä. Luokituslaitos antaa jokaiselle materiaalille vaatimukset kemiallisen koostumuksen, mekaanisten ominaisuuksien ja toimitustilan suhteen. Jos annetut ehdot täyttyvät, myöntää RS materiaalille sertifikaatin, että sitä voidaan käyttää rakennusmateriaalina. (Materials, 2014, s. 432.)

79 79 Taulukko 21. Ruostumattomat teräkset ja niiden luokittelu luokituslaitoksen mukaan (Materials, 2014, s. 433). Teräkselle tehtävät pakolliset tarkastukset riippuvat materiaaliluokasta. Luokan A-5 materiaaleille tehtäviä testejä materiaalisertifikaatin saamiseksi ovat mekaanisten ominaisuuksien testaus +20 C:ssa, makrorakennetutkimus, raerajakorroosioalttiuden tutkiminen sekä NDT-tarkastukset. Luokituslaitos voi tarvittaessa määrätä myös lisätarkastuksia. (Materials, 2014, s. 435.) Luokituslaitos ei määrää erillisiä hitsaustuotantoon liittyviä ohjeistuksia ruostumattomien terästen käytölle. Ruostumattomien terästen käyttö mukailee rakenneterästen käytölle annettua ohjeistusta. Lisäainesuositukset eroavat kuitenkin rakenneterästen suosituksista Alumiini Alumiineilla, joita käytetään rakennusmateriaaleina, täytyy olla luokituslaitoksen hyväksyntä ja merkintä (Materials, 2014, s. 451, 456). RS jakaa alumiinit muokattaviin ja valettaviin seoksiin. Molemmille seoksille annetaan ohjeissa vaatimukset kemiallisen

80 80 koostumuksen, toimitustilan ja mekaanisten ominaisuuksien suhteen. Taulukossa 22 esitetään luokituslaitoksen hyväksymät muokattavat alumiiniseokset sekä niiden toimitustilat. Taulukko 23 puolestaan kokoaa yhteen käytettävät valettavat alumiiniseokset. Luokituslaitos ei ota kantaa alumiiniseoksen valintaan kohdeyrityksen tuotteilla. Lisäainesuosituksia se kuitenkin tarjoaa. Taulukko 22. Muokattavat alumiiniseokset ja toimitustilat (Materials, 2014, s ). Taulukko 23. Valettavat alumiiniseokset ja toimitustilat (Materials, 2014, s. 456). Alumiinien hitsausohje hyväksytetään menetelmäkokeella. Joissakin erikoistapauksissa voidaan hyväksyttäminen tehdä myös standardihitsausohjeeseen perustuen. Taulukossa 24 esitetään menetelmäkoekappaleelle tehtävät tarkastukset ja tarkastuslaajuudet. (Technical supervision during manufacture of materials, 2013, s. 141.)